JP2016024707A - Tactile sense presentation device and inner force sense presentation system - Google Patents

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Makoto Sato
佐藤  誠
美玲 徐
Meiling Xu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To properly present tactile sense and inner force sense when holding a virtual object in a virtual space to be operated and controlled by a virtual hand to an operator, and allow the operator to obtain excellent operability.SOLUTION: An inner force sense presentation system 10 includes: a tactile sense presentation device 60; and an inner force sense presentation device 40. The tactile sense presentation device 60 transmits tactile sense when an object and a hand are displayed on a screen 20a under the control of a computer 20 and the display objects are held by a display hand to a hand 100 of an operator operating the display hand cooperatively with the control of the computer 20 so that the hand 100 can sense the tactile sense. The inner force sense presentation device 40 transmits inner force sense to be reaction force of holding force when the display objects displayed on the screen 20a under the control of the computer 20 is held by the display hand to the hand 100 of the operator operating a virtual hand cooperatively with the control of the computer 20 so that the hand 100 can sense the inner force sense. The operator can simultaneously feel the tactile sense and the inner force sense during the holding in the hand 100.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、3次元のVR(Virtual Reality:仮想現実)空間で仮想物体を仮想手で把持した際の触覚及び力覚を、仮想手の動作を操作する操作者の手に感知可能に伝達する触覚提示装置及び力触覚提示システムに関する。   The present invention sensiblely transmits a tactile sensation and a force sensation when a virtual object is gripped by a virtual hand in a three-dimensional VR (Virtual Reality) space to an operator's hand operating the virtual hand. The present invention relates to a tactile sense presentation device and a force / tactile sense presentation system.

近年、コンピュータ性能の飛躍的な進歩により、画面上の3次元VR空間内に仮想の物体と手を描画し、仮想手が仮想物体を把持する制御を操作者が容易に操作可能となっている。例えば、操作者が自分の手の指等に操作用の装具を装着し、この装具で、仮想の手が仮想物体を把持するように操作を行う。   In recent years, due to dramatic progress in computer performance, a virtual object and a hand are drawn in a three-dimensional VR space on the screen, and the operator can easily control the virtual hand to hold the virtual object. . For example, an operator wears an operation device on a finger or the like of his / her hand and performs an operation such that a virtual hand grasps a virtual object with the device.

この際、仮想手が仮想物体を任意の力で把持した際に、仮想手が仮想物体を把持する力の反力(手を押し返す力)を、操作者の手に伝達する。その反力が力覚である。換言すれば、「力覚」とは、力の感覚のことである。更に、その力覚と同時に、仮想手が仮想物体を把持した際の物体の触感を、操作者の手に伝達する。この触感が触覚である。   At this time, when the virtual hand grips the virtual object with an arbitrary force, the reaction force of the force with which the virtual hand grips the virtual object (force to push back the hand) is transmitted to the operator's hand. The reaction force is force sense. In other words, “force sense” is a sense of force. Furthermore, simultaneously with the force sense, the tactile sensation of the object when the virtual hand grips the virtual object is transmitted to the operator's hand. This tactile sensation is a tactile sense.

このように触覚及び力覚を操作者の手に提示(伝達)する装置として、例えば非特許文献1に記載の手に装着するグローブがある。このグローブは、多指操作型で触覚及び力覚を操作者に提示する力触覚提示デバイスであって、小型振動子がグローブの指先に組み込まれている。このグローブは、仮想手が仮想物体を所望の力で把持した際の触覚及び力覚を、小型振動子の振動で表し、この振動を操作者の指先に伝達する。また、グローブは、指先に小型振動子を組み込んだ構成なので、小型軽量で操作性が良好となっている。   As a device for presenting (transmitting) a tactile sensation and a force sensation to an operator's hand as described above, for example, there is a glove attached to the hand described in Non-Patent Document 1. This glove is a multi-finger operation type force / tactile sensation presentation device that presents tactile sensation and force sensation to an operator, and a small vibrator is incorporated in the fingertip of the glove. This glove expresses a tactile sensation and a force sensation when a virtual hand grips a virtual object with a desired force by vibration of a small vibrator, and transmits this vibration to the fingertip of the operator. In addition, since the glove has a structure in which a small vibrator is incorporated into a fingertip, the glove is small and light and has good operability.

“CyberTouch”、[online]、July 01,2014、[平成26年7月1日検索]、インターネット〈URL: http://www.creact.co.jp/jpn/immersion/j_n_vtcybto.htm〉“CyberTouch”, [online], July 01, 2014, [searched July 1, 2014], Internet <URL: http://www.creact.co.jp/jpn/immersion/j_n_vtcybto.htm>

しかし、非特許文献1に記載のグローブは、操作者の指先へ、小型振動子による振動を伝達するのみなので実際には振動感覚だけしか提示できず、触覚及び力覚の忠実性、応答性が極めて劣っている。つまり、そのグローブは、触覚及び力覚を操作者に提示する能力が低く、触覚及び力覚を操作者に適正に提示することができないという問題がある。   However, since the glove described in Non-Patent Document 1 only transmits vibration by a small vibrator to an operator's fingertip, it can actually present only vibration sensation. Very inferior. That is, the glove has a low ability to present tactile sensation and force sensation to the operator, and there is a problem that the tactile sensation and force sensation cannot be properly presented to the operator.

この他、触覚及び力覚の提示の方法としては、ピン型アクチュエータ、電気刺激方式、或いは圧縮空気によるものも提案されているが、これらは装置自体が大きく軽量性に劣り、グローブのような良好な操作性が実現できないという問題がある。   In addition, as a method for presenting tactile sensation and force sensation, a pin-type actuator, an electric stimulation method, or a method using compressed air has been proposed, but these devices are large and inferior in weight and are good like a glove. There is a problem that it is not possible to realize an easy operability.

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such a background, and can appropriately present tactile sensation and force sensation when a virtual object in a virtual space subject to operation control is gripped by a virtual hand to an operator. It is another object of the present invention to provide a tactile sensation presentation apparatus and a force / tactile sensation presentation system that enable an operator to obtain good operability.

前記した課題を解決するため、本発明による請求項1に記載の触覚提示装置は、演算及び制御処理を行う演算処理手段の制御により画面に表示される表示物体が、同表示される表示手で把持された際の触覚を、当該表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する触覚提示装置において、筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部とを備え、前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧することを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the haptic presentation device according to claim 1 of the present invention is configured such that the display object displayed on the screen by the control of the arithmetic processing unit that performs the arithmetic and control processing is a display hand that displays the same. In the tactile sensation presentation device that transmits the tactile sensation at the time of grasping to the operator's hand operating the operation of the display hand in cooperation with the control of the arithmetic processing means, the tactile presentation device has a cylindrical shape, A bobbin whose opening is closed and the inside of which is concave, a coil formed by winding a conductive wire around the outer periphery of the bobbin, and a bobbin that is movably disposed inside the concave shape, and has a tip on the opening side of the bobbin And a movable part formed by integrally fixing the pointed member to the magnet, and by the operation of the operator with the bobbin attached so that the opening of the bobbin is in contact with the hand of the operator, The display hand is the display object When gripped, current is supplied to the coil, and the tip of the movable part that moves due to electromagnetic induction generated by the supply protrudes from the opening of the bobbin so that the operator feels the tactile sensation. It is characterized by pressing an operator's hand.

この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を把持した際に、操作者の手に装着されたボビンのコイルに電流が供給される。この電流供給によってボビンの凹状内部の可動部が移動し、可動部の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、表示手に表示物体を把持させた時に、表示物体に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。   According to this configuration, when the display hand displayed on the screen grips the display object by the operation of the operator's hand, current is supplied to the coil of the bobbin attached to the operator's hand. This current supply moves the movable part inside the concave shape of the bobbin, and the tip of the movable part presses the operator's hand so that the operator feels a tactile sensation. Therefore, the operator can actually feel a tactile sensation when holding the real object corresponding to the display object when the display hand is made to hold the display object by operating his / her hand.

請求項2に係る触覚提示装置は、前記尖り部材は、当該尖り部材の先端の曲率半径が0mm〜1.8mmであり、前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする。   In the tactile sense presentation device according to claim 2, the sharp member has a curvature radius of 0 mm to 1.8 mm at a tip of the sharp member, and a current value supplied to the coil is a current of the current value. When the tip of a sharp member having a radius of curvature of 0 mm to 1.8 mm presses the operator's hand due to the movement of the movable portion when supplied to the operator, the operator feels the tactile sensation. It is characterized by being.

この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径を0mm〜1.8mmの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材の先端の曲率半径を、0mm〜1.8mmの比較的広い範囲で定めることができる。   According to this configuration, even when the radius of curvature of the tip of the pointed member is selected within the range of 0 mm to 1.8 mm, the operator can transmit a tactile sensation similar to when a real object corresponding to a virtual object is gripped. it can. Therefore, the radius of curvature of the tip of the pointed member can be determined within a relatively wide range of 0 mm to 1.8 mm.

請求項3に係る発明は、前記コイルに供給される電流値は、前記尖り部材の先端の曲率半径が小さくなるに従い、小さくすることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is characterized in that the value of current supplied to the coil decreases as the radius of curvature of the tip of the pointed member decreases.

この構成によれば、尖り部材の先端の曲率半径が小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値の電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径を小さくして、消費電力を抑制することができる。   According to this configuration, the smaller the radius of curvature of the tip of the pointed member, the easier it is for the tip to bite into the operator's hand, so even when the current is small, the Can provide a tactile sensation. Further, the power consumption can be suppressed by reducing the radius of curvature.

請求項4に係る触覚提示装置は、前記可動部は、前記ボビンの開口が下方を向くことにより、前記尖り部材の先端が前記操作者の手に重力で載置状態となった際に、当該操作者が当該可動部の重さを感じない重量とされていることを特徴とする。   In the tactile sense presentation device according to claim 4, when the opening of the bobbin faces downward, the movable part has the tip of the pointed member placed in a gravitational state in the operator's hand. The weight is such that the operator does not feel the weight of the movable part.

この構成によれば、尖り部材の先端が操作者の手に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態となっている時点では可動部の重量を感じない。このため、操作者の手の操作で表示手が表示物体を把持した際の、尖り部材の先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。   According to this configuration, even when the tip of the pointed member is placed on the operator's hand due to gravity, the weight of the movable part is not felt at the time when the tip is placed. For this reason, when the display hand holds the display object by the operation of the operator's hand, it is possible to properly feel the tactile sensation due to the pressure on the tip of the sharp member.

請求項5に係る触覚提示装置は、触覚提示装置の重量は、当該触覚提示装置を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする。   The haptic presentation device according to claim 5 is characterized in that the weight of the haptic presentation device is less than 2.1 g together with a device for mounting the haptic presentation device on the hand of the operator.

この構成によれば、物の重量が2.1g以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、装具と併せて2.1g未満の触覚提示装置では、人は、その重さを感じない。従って、触覚提示装置を装具で操作者の手に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、表示手の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置の可動部の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。   According to this configuration, when the weight of an object is 2.1 g or more, if the object is placed on a hand, for example, the person feels the weight of the placed object. For this reason, in the tactile sense presentation device of less than 2.1 g together with the brace, a person does not feel the weight. Therefore, if the tactile sense presentation device is mounted on the operator's hand with the brace, the operator can perform the operation of the display hand satisfactorily without feeling the weight of the attachment. For this reason, the operator does not substantially feel the weight when the tactile sensation is not presented by pressing the movable part of the tactile presentation device. Can feel right.

請求項6に係る触覚提示装置は、前記表示物体及び前記表示手は、前記演算処理手段の描画制御により、仮想現実空間に描画される仮想物体及び仮想手であることを特徴とする。   The tactile sense presentation device according to claim 6 is characterized in that the display object and the display hand are a virtual object and a virtual hand drawn in a virtual reality space by the drawing control of the arithmetic processing means.

この構成によれば、画面に3次元等の仮想現実空間における仮想物体及び仮想手を描画した状況において、操作者は自分の手で仮想手の動きを操作して、仮想手に仮想物体を把持させた時に、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。   According to this configuration, in a situation where a virtual object and a virtual hand in a three-dimensional virtual reality space are drawn on the screen, the operator operates the movement of the virtual hand with his / her hand and holds the virtual object with the virtual hand. When touched, you can actually feel the tactile sensation when you hold it.

請求項7に係る触覚提示装置は、前記表示手は、前記操作者が自身の手で前記演算処理手段が通信装置を介して操作制御を行う離間位置のロボットのマニピュレータが表示されたものであり、前記表示物体は、前記マニピュレータが把持する実物体が表示されたものであることを特徴とする。   In the tactile sensation presentation device according to claim 7, the display hand displays a manipulator of a robot at a separated position where the operator is operating his / her hand and the arithmetic processing unit performs operation control via the communication device. The display object is a display of an actual object held by the manipulator.

この構成によれば、操作者が画面に表示手として表示された遠隔地のマニピュレータを見ながら、マニピュレータの動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面に表示されたマニピュレータの近くの実物体を、操作者が遠隔操作でマニピュレータに把持させた時に、操作者は、その把持した際の触覚を実際に感じることができる。   According to this configuration, it is assumed that the operator is remotely manipulating the movement of the manipulator while looking at the manipulator at the remote location displayed as the display hand on the screen. At this time, when the operator grips the real object near the manipulator displayed on the screen by the manipulator by remote operation, the operator can actually feel the tactile sensation at the time of gripping.

請求項8に係る力触覚提示システムは、請求項1〜7の何れか1項に記載の触覚提示装置と、前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置とを備えることを特徴とする。   The force / tactile sense presentation system according to claim 8 is displayed on the screen by the control of the tactile sense presentation device according to any one of claims 1 to 7 and the arithmetic processing unit that controls the operation of the touch sense presentation device. A sense of force that is a reaction force of a gripping force when the display object is gripped by the display hand can be sensed by an operator's hand that operates the display hand in cooperation with the control of the arithmetic processing means. And a force / tactile sensation presentation device for transmitting to the device.

この構成によれば、操作者の手の操作により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持した際に、その把持した際の触覚と、把持力の反力である力覚とが、操作者の操作中の手に伝達される。これによって、操作者は、表示手が表示物体を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。   According to this configuration, when the display hand displayed on the screen strongly grips the display object by the operation of the operator's hand, a tactile sensation at the time of gripping and a force sensation that is a reaction force of the gripping force are generated. , Transmitted to the hand being operated by the operator. As a result, when the operator performs an operation of strongly holding the display object by the display hand, the operator can feel the tactile sensation and the force sensation of the holding at the same time.

請求項9に係る力触覚提示システムは、前記力覚提示装置は、前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、前記モータの内、少なくとも1つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、1つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする。   In the force / tactile sense presentation system according to claim 9, the force sense presentation device includes a plurality of motors controlled to rotate by the arithmetic processing unit according to the operation, and the motor according to forward or reverse rotation of the motor. A thread that is attached so that its length expands and contracts, and a thread connection part to which a thread extending from at least one of the motors is connected. The thread connection part and the tactile sense presentation device include: The thread is attached to the operator's hand via one appliance, and the arithmetic processing means is configured to attach the thread that is attached to the operator's hand when the display object is gripped by the display hand. The position of the operator's hand is determined by measuring the lengths of a plurality of threads bundled at the connecting portion, and the force of the motor required to transmit the force sense to the hand at this position by pulling with the thread. Generate information to perform rotation control, and this generated Distribution In rotates the motor, the force sense is characterized by pulling the operator's hand with the yarn so as to be transmitted to the hand of the operator.

この構成によれば、操作者の手により、画面に表示された表示手が表示物体を強く把持するように操作を行った際に、力覚提示装置の糸が、その把持する力の反力である力覚が伝わるように操作者の手を引っ張る。これによって、操作者に把持力の反力である力覚を感じさせることができる。   According to this configuration, when the operator's hand performs an operation so that the display hand displayed on the screen strongly grips the display object, the thread of the force sense presentation device reacts with the gripping force. Pull the operator's hand so that the force sense is transmitted. As a result, the operator can feel a force sense that is a reaction force of the gripping force.

請求項10に係る力触覚提示システムは、前記触覚提示装置及び前記糸接続部を合計した重量は、当該触覚提示装置及び当該糸接続部の双方を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする。   In the force / tactile sense presentation system according to claim 10, the total weight of the tactile sense presentation device and the thread connection portion is combined with a device for mounting both the touch sense presentation device and the thread connection portion on the operator's hand. , Less than 2.1 g.

この構成によれば、操作者は、触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。   According to this configuration, the operator can easily feel the tactile sensation and the force sensation, can feel the tactile sensation and the force sensation appropriately, and can obtain good operability.

本発明によれば、操作制御される仮想空間における仮想物体を仮想手で把持した場合等の触覚及び力覚を、操作者に適正に提示することができると共に、操作者が良好な操作性を得ることができる触覚提示装置及び力触覚提示システムを提供することができる。   According to the present invention, tactile sensation and force sensation in the case where a virtual object in a virtual space to be operated and controlled is grasped with a virtual hand can be appropriately presented to the operator, and the operator can have good operability. A tactile sensation presentation apparatus and a force haptic presentation system that can be obtained can be provided.

本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the force tactile sense presentation system which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態の力触覚提示システムの力覚提示装置の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the force sense presentation apparatus of the force tactile sense presentation system of this embodiment. 図2に示す操作者の手の拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view of an operator's hand shown in FIG. 2. 図3に示す触覚提示装置のA1−A1断面を示し、(a)はコイルに無通電状態で可動部が載置状態となった構成図、(b)はコイルに通電状態で可動部が上方に移動状態となった構成図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the tactile sense presentation device shown in FIG. 3 taken along line A1-A1, in which (a) is a configuration diagram in which the movable part is placed in a non-energized state, FIG. 本実施形態の触覚提示装置の一部断面斜視図である。It is a partial cross section perspective view of the tactile sense presentation device of this embodiment. 本実施形態の力触覚提示システムによる触覚及び力覚の提示動作を説明するための第1のフローチャートである。It is a 1st flowchart for demonstrating the tactile sense and force sense presentation operation | movement by the force tactile sense presentation system of this embodiment. 本実施形態の力触覚提示システムによる触覚及び力覚の提示動作を説明するための第2のフローチャートである。It is a 2nd flowchart for demonstrating the tactile sense and force sense presentation operation | movement by the force tactile sense presentation system of this embodiment. コンピュータの画面に表示された3次元VR空間内の仮想手と仮想物体を示し、(a)は仮想手と仮想物体が離間した様態図、(b)は仮想手が仮想物体を把持した様態図、(c)は仮想手が仮想物体を強く把持した様態図である。The virtual hand and virtual object in the three-dimensional VR space displayed on the computer screen are shown, (a) is a state diagram in which the virtual hand is separated from the virtual object, and (b) is a state diagram in which the virtual hand is holding the virtual object. (C) is a state diagram in which the virtual hand strongly holds the virtual object. 本発明の実施形態の力触覚提示システムを用いた応用例に係るロボット操作システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the robot operation system which concerns on the application example using the force tactile sense presentation system of embodiment of this invention. コンピュータの画面に表示された、ロボットが手の指でゴムボールを把持した状態を示し、(a)は手の指がゴムボールを把持した状態図、(b)は手の指がゴムボールを強く把持した状態図である。A state in which the robot grips the rubber ball with the finger of the hand displayed on the computer screen, (a) is a state diagram in which the finger of the hand grips the rubber ball, and (b) is a state in which the finger of the hand holds the rubber ball. It is a state figure grasped strongly.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<実施形態の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る力触覚提示システムの構成を示すブロック図である。
図1に示す力触覚提示システム10は、コンピュータ画面上の3次元VR空間に描画された仮想物体(表示物体)を仮想手(表示手)で把持する操作制御を、操作者が手で行っている際に、仮想手に仮想物体を把持させた場合、仮想手が仮想物体に触れる触感と、把持力の反力とを、触覚及び力覚として操作者の手に伝達(提示)するものである。
力触覚提示システム10は、コンピュータ(演算処理手段)20と、力覚用コントローラ30と、力覚提示装置(ハプティックインターフェース:Haptic Interface)40と、触覚用コントローラ50と、触覚提示装置60とを備えて構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Configuration of Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a force / tactile sense presentation system according to an embodiment of the present invention.
The force / tactile sensation presentation system 10 illustrated in FIG. 1 is configured such that an operator performs operation control with a hand to hold a virtual object (display object) drawn in a three-dimensional VR space on a computer screen with a virtual hand (display hand). When a virtual hand is gripped by a virtual hand, the tactile sensation of the virtual hand touching the virtual object and the reaction force of the gripping force are transmitted (presented) to the operator's hand as tactile sensations and force sensations. is there.
The force / tactile sense presentation system 10 includes a computer (arithmetic processing means) 20, a force sense controller 30, a force sense presenting device (Haptic Interface) 40, a tactile sense controller 50, and a tactile sense presenting device 60. Configured.

コンピュータ20は、力覚提示装置40及び触覚提示装置60を各指先に装着した操作者の手100による操作に応じて、画面20a上に3次元の仮想物体及び仮想手を描画し、この描画された仮想手が仮想物体を把持する等の動作制御を行う。
また、コンピュータ20は、仮想手が仮想物体を把持した際の触覚を、触覚提示装置60で手100に伝えるための触覚提示情報の信号を、触覚用コントローラ50へ出力する。更に、コンピュータ20は、その把持力の反力を、力覚提示装置40で手100に伝えるための力覚提示情報の信号を、力覚用コントローラ30へ出力する。
The computer 20 draws a three-dimensional virtual object and a virtual hand on the screen 20a in accordance with an operation by the operator's hand 100 wearing the force sense presentation device 40 and the tactile sense presentation device 60 on each fingertip. The movement control such as the virtual hand holding the virtual object is performed.
In addition, the computer 20 outputs a tactile sensation information signal for transmitting a tactile sensation when the virtual hand grasps the virtual object to the hand 100 by the tactile sensation presentation device 60 to the tactile controller 50. Further, the computer 20 outputs a force sense presentation information signal for transmitting the reaction force of the gripping force to the hand 100 by the force sense presentation device 40 to the force sense controller 30.

触覚用コントローラ50は、触覚提示情報の信号をPWM(Pulse Width Modulation)による触覚提示信号(電気信号)に変換して触覚提示装置60へ出力する。
触覚提示装置60は、触覚提示信号に応じた触覚を手100に伝達(提示)する。
The tactile controller 50 converts a tactile presentation information signal into a tactile presentation signal (electric signal) based on PWM (Pulse Width Modulation) and outputs the tactile presentation signal to the tactile presentation device 60.
The tactile sense presentation device 60 transmits (presents) a tactile sense corresponding to the tactile sense presentation signal to the hand 100.

力覚用コントローラ30は、力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号(電気信号)を力覚提示装置40へ出力する。
力覚提示装置40は、力覚提示信号に応じた力覚を手100に伝達(提示)する。
なお、触覚提示情報又は力覚提示情報の信号を電気信号に変換する方式は、PDM(Pulse Density Modulation)等の他の変調方式であってもよい。
The haptic controller 30 outputs a haptic presentation signal (electric signal) by PWM as a haptic presentation information signal to the haptic presentation device 40.
The force sense presentation device 40 transmits (presents) a force sense corresponding to the force sense presentation signal to the hand 100.
Note that the method of converting the tactile sense presentation information or force sense presentation information signal into an electrical signal may be another modulation method such as PDM (Pulse Density Modulation).

図2に、コンピュータ20、力覚用コントローラ30、力覚提示装置40、触覚用コントローラ50及び触覚提示装置60が組み合わされた力触覚提示システム10の構造を示す。   FIG. 2 shows the structure of the force / tactile sense presentation system 10 in which the computer 20, the force sense controller 30, the force sense presentation device 40, the tactile sense controller 50, and the tactile sense presentation device 60 are combined.

図2に示すように、力覚提示装置40は、概略直方体枠形状のフレーム41と、フレーム41に固定された24個のモータ部42a〜42x(単に、モータ部42ともいう)と、各々のモータ部42の軸の固定ローラ(図示せず)に巻かれた糸43と、4本の糸43を1つに束ねて手100の各々の指先に接続する5つの糸接続部44とを備えて構成されている。なお、フレーム41の概略直方体枠形状は、6本の柱を直方体形状に組み合わせた形状において、4本の縦柱の内、前方の2本の縦柱が無い形状である。以降、糸43は、モータ部42の軸(固定ローラは省略する)に巻かれていると表現する。   As shown in FIG. 2, the force sense presentation device 40 includes a frame 41 having a substantially rectangular parallelepiped frame shape, 24 motor units 42 a to 42 x (also simply referred to as motor units 42) fixed to the frame 41, A thread 43 wound around a fixed roller (not shown) of the shaft of the motor section 42 and five thread connection sections 44 that bind the four threads 43 together and connect them to each fingertip of the hand 100 are provided. Configured. In addition, the approximate rectangular parallelepiped frame shape of the frame 41 is a shape in which six columns are combined in a rectangular parallelepiped shape, and there is no front vertical column among the four vertical columns. Hereinafter, the thread 43 is expressed as being wound around the shaft of the motor unit 42 (the fixed roller is omitted).

フレーム41の上枠部41Jには、力覚用コントローラ30が取り付けられている。フレーム41は、断面が角枠形状で空洞になっており、各モータ部42a〜42xの配線がその空洞に挿通されている。この挿通された配線は、上枠部41Jに設けられた開口から符号30aで示すように外部へ引き出され、力覚用コントローラ30の信号出力側に接続されている。なお、図面上の符号30aでは分かり易くするため1本の配線を示しているが、実際には、各モータ部42a〜42xの配線が引き出されて、力覚用コントローラ30に接続されている。   The force sense controller 30 is attached to the upper frame portion 41J of the frame 41. The frame 41 has a square frame cross section and is hollow, and the wires of the motor parts 42a to 42x are inserted into the hollow. The inserted wiring is drawn out from the opening provided in the upper frame portion 41J, as indicated by reference numeral 30a, and is connected to the signal output side of the force sense controller 30. In addition, although one wiring is shown by the code | symbol 30a on drawing for easy understanding, the wiring of each motor part 42a-42x is pulled out and connected to the force controller 30 in fact.

力覚用コントローラ30の信号入力側は、各モータ部42a〜42xとの間で信号を送受信するためのケーブル配線30bで、コンピュータ20に接続されている。また、コンピュータ20には、触覚用コントローラ50の信号入力側がケーブル配線50aで接続されている。   The signal input side of the force sense controller 30 is connected to the computer 20 by a cable wiring 30b for transmitting and receiving signals to and from the motor units 42a to 42x. Further, the signal input side of the tactile controller 50 is connected to the computer 20 by a cable wiring 50a.

触覚用コントローラ50の信号出力側は、手100の手頸にゴムバンド51で取り付けられたコネクタ52に、ケーブル配線50bで接続されている。更に、ケーブル配線50bをコネクタ52で分岐した配線50c,50d,50e,50f,50gが、手100の各指先の触覚提示装置60に接続されている。なお、図2では、触覚用コントローラ50をフレーム41の近傍に配置した状態を表しているが、フレーム41上に固定してもよい。   The signal output side of the tactile controller 50 is connected to a connector 52 attached to the wrist of the hand 100 with a rubber band 51 by a cable wiring 50b. Furthermore, wirings 50 c, 50 d, 50 e, 50 f and 50 g obtained by branching the cable wiring 50 b at the connector 52 are connected to the tactile sense presentation device 60 at each fingertip of the hand 100. 2 shows a state in which the tactile controller 50 is arranged in the vicinity of the frame 41, but it may be fixed on the frame 41.

また、図2においては、構成を分かり易くするため、各々異なる位置の4つのモータ部42a,42g,42i,42nから延びる4本の糸43が、人差し指100bの指先に糸接続部44で1つに纏められてゴムバンド(装具)45で取り付けられた状態を代表して示す。従って、図示はしないが、人差し指100b以外の他の4本の指にも、人差し指100bと同様に、4本の糸43が、指先に糸接続部44で1つに纏められてゴムバンド45で取り付けられている。また、図2の人差し指100bの状態を、より分かり易くするため、図3に拡大図を示す。   Further, in FIG. 2, in order to make the configuration easy to understand, four threads 43 extending from four motor sections 42 a, 42 g, 42 i, 42 n at different positions, one thread connecting section 44 at the fingertip of the index finger 100 b. And a state where the rubber band 45 is attached with a rubber band (orthmus). Accordingly, although not shown in the figure, the four threads 43 other than the index finger 100b are also bundled with the rubber band 45 on the fingertips by the four thread 43 as in the index finger 100b. It is attached. In order to make the state of the index finger 100b in FIG. 2 easier to understand, an enlarged view is shown in FIG.

図3に示すように、ゴムバンド45には、人差し指100bの指先の爪側に糸接続部44が固定され、指先の腹側に触覚提示装置60が固定されている。更に説明すると、図3のA1−A1断面図である図4(a)に示すように、ゴムバンド45の両端が触覚提示装置60に固定されてゴムバンド45が環状となり、その触覚提示装置60と対向するゴムバンド45の外周面の位置に糸接続部44が固定されている。   As shown in FIG. 3, in the rubber band 45, the thread connecting portion 44 is fixed to the nail side of the fingertip of the index finger 100b, and the tactile sense presentation device 60 is fixed to the belly side of the fingertip. More specifically, as shown in FIG. 4A which is an A1-A1 cross-sectional view of FIG. 3, both ends of the rubber band 45 are fixed to the tactile sense presentation device 60 so that the rubber band 45 becomes an annular shape. A thread connecting portion 44 is fixed to the position of the outer peripheral surface of the rubber band 45 facing the.

図2に示す各モータ部42の軸に巻かれた糸43は、ナイロンや高分子ポリエチレン等の材料による切れにくい糸であり、モータ部42の正転により糸43が巻き取られて短くなり、逆転により引き出されて長くなるようになっている。各モータ部42の回転制御については後述する。   The thread 43 wound around the shaft of each motor unit 42 shown in FIG. 2 is a thread that is difficult to cut by a material such as nylon or high-molecular polyethylene, and is shortened by winding the thread 43 by the normal rotation of the motor unit 42. It is pulled out by reversing and becomes longer. The rotation control of each motor unit 42 will be described later.

24個のモータ部42の内、16個のモータ部42a〜42pは、直方体枠形状を成すフレーム41の上側の長方形の上枠部41Jに固定され、残り8個のモータ部42q〜42xは、上枠部41Jと対向する長方形の下枠部41Kに固定されている。24個のうち4個は予備のモータ部42である。各モータ部42a〜42xから各指先に4本ずつが1つに(1点に)束ねられて接続される様態は、フレーム41の上下左右の異なる位置に配置された4つを1組とするモータ部42から延びる4本の糸43が、各指先に糸接続部44で1つに纏められて接続される様態となっている。   Of the 24 motor units 42, 16 motor units 42a to 42p are fixed to the upper frame portion 41J of the upper rectangle of the frame 41 having a rectangular parallelepiped frame shape, and the remaining 8 motor units 42q to 42x are It is fixed to a rectangular lower frame portion 41K facing the upper frame portion 41J. Four of the 24 are spare motor units 42. Four motors 42 a to 42 x are connected to each fingertip by being bundled into one (one point), and a set of four arranged at different positions on the top, bottom, left and right of the frame 41 is a set. Four threads 43 extending from the motor section 42 are connected to each fingertip together by a thread connection section 44.

なお、糸接続部44に接続される糸43は1つの指に対して1本〜3本でもよく(最低1本でもよい)、この場合、モータ部42の個数は、少なくとも5個〜15個となる。この逆に、予備等を更に考慮して24個を超える数のモータ部42を備えていても良い。   The number of the threads 43 connected to the thread connecting portion 44 may be 1 to 3 per finger (or at least one). In this case, the number of the motor portions 42 is at least 5 to 15 pieces. It becomes. On the contrary, more than 24 motor units 42 may be provided in consideration of spares and the like.

各組のモータ部42の位置は予め定められているので、モータ部42の各位置をコンピュータ20に登録しておく。そして、例えば4本の糸43を1つの指に束ねるに必要な、1組のモータ部42a,42g,42i,42nから、人差し指100bの指先に1点に束ねられた4本の糸43の長さをコンピュータ20で計測(後述する)することにより、人差し指の3次元座標位置(単に、「位置」とも称す)を求める計算が可能となっている。この計算は、他の指においても同様に行われる。コンピュータ20は、計算した各指の3次元座標位置に応じて、画面20a上の仮想手を移動させる制御を行う。   Since the positions of the motor units 42 in each set are determined in advance, the positions of the motor units 42 are registered in the computer 20 in advance. For example, the length of the four yarns 43 bundled at one point on the fingertip of the index finger 100b from a set of motor portions 42a, 42g, 42i, and 42n necessary for bundling the four yarns 43 on one finger. By measuring the length with the computer 20 (described later), it is possible to calculate the three-dimensional coordinate position (also simply referred to as “position”) of the index finger. This calculation is similarly performed for the other fingers. The computer 20 performs control to move the virtual hand on the screen 20a according to the calculated three-dimensional coordinate position of each finger.

コンピュータ20は、糸43の長さを計測する場合、力覚提示装置40からモータ部42のモータ情報である回転数や回転角度等の糸43の長さを計測するために必要な情報を、力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて、糸43の長さを計測する。   When the computer 20 measures the length of the thread 43, information necessary for measuring the length of the thread 43 such as the rotation speed and the rotation angle, which is motor information of the motor unit 42, from the force sense presentation device 40, Obtained via the haptic controller 30. The computer 20 measures the length of the yarn 43 according to the acquired information.

また、コンピュータ20には、操作者の手100の各指の位置と、仮想手72の各指の位置とが対応付けられ、更に、仮想手の位置と仮想物体の位置も対応付けられている。これによって、コンピュータ20は、操作者の手100の各指の動きに応じて、仮想手72の動きを描画制御できるようになっている。   In addition, the position of each finger of the operator's hand 100 and the position of each finger of the virtual hand 72 are associated with the computer 20, and further, the position of the virtual hand and the position of the virtual object are also associated. . Accordingly, the computer 20 can perform drawing control of the movement of the virtual hand 72 in accordance with the movement of each finger of the operator's hand 100.

更に、コンピュータ20は、操作者の手100の操作動作に応じて仮想手が仮想物体を把持した際に、この把持したことを検出する。この検出は、前述のように操作者の手100の各指先の3次元座標位置を求め、この位置が、画面20a上の仮想物体を仮想手が把持した位置となったか否かを判定して行う。   Furthermore, when the virtual hand grips the virtual object in accordance with the operation operation of the operator's hand 100, the computer 20 detects this gripping. In this detection, as described above, the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator's hand 100 is obtained, and it is determined whether or not this position is the position where the virtual hand grips the virtual object on the screen 20a. Do.

更に、コンピュータ20は、操作者の各指先に、仮想手が仮想物体を把持した際の触感に応じた触覚を提示する触覚提示情報の信号を生成する。この生成については後述する。触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ50でPWMによる電気信号に変換されて、触覚提示装置60へ出力される。   Further, the computer 20 generates a signal of tactile sensation information that presents a tactile sensation according to the tactile sensation when the virtual hand grasps the virtual object at each fingertip of the operator. This generation will be described later. The tactile presentation information signal is converted into an electrical signal by PWM by the tactile controller 50 and output to the tactile presentation device 60.

触覚提示装置60について、図5を参照して説明する。図5は、触覚提示装置60の一部断面斜視図である。触覚提示装置60は、ボビン61と、可動部62と、コイル63とを備えて構成されている。   The tactile sense presentation device 60 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional perspective view of the tactile sense presentation device 60. The tactile sense presentation device 60 includes a bobbin 61, a movable part 62, and a coil 63.

ボビン61は、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により外観形状がシルクハット形状に形成されている。図5ではシルクハットを上下逆向きに配置した状態を示している。この状態のシルクハット形状の円筒部61aの上方の開口61a1端には、第1円環板61bが固定され、この第1円環板61bから円筒部61aの縦方向に所定間隔開けて、円筒部61aの外周に第2円環板61cが固定されている。第1円環板61bの開口61b1は、円筒部61aの開口61a1より小径となっており、円筒部61aの開口61a1の中心側に円形に突き出ている。円筒部61aの下方の開口61a1は、蓋61d{図4(a)参照}で塞がれている。   The bobbin 61 is formed in a top hat shape with a hard and lightweight material such as plastic or resin. FIG. 5 shows a state in which the top hat is arranged upside down. A first annular plate 61b is fixed to the upper end of the opening 61a1 of the top-shaped cylindrical portion 61a in this state, and the cylindrical portion 61b is spaced apart from the first annular plate 61b in the vertical direction of the cylindrical portion 61a. A second annular plate 61c is fixed to the outer periphery of the portion 61a. The opening 61b1 of the first annular plate 61b has a smaller diameter than the opening 61a1 of the cylindrical portion 61a, and protrudes in a circular shape toward the center of the opening 61a1 of the cylindrical portion 61a. The opening 61a1 below the cylindrical portion 61a is closed with a lid 61d {see FIG. 4 (a)}.

この蓋61dで塞がれた円筒部61aの円柱形状(凹状)の空洞内に、可動部62が上下に移動自在に収容されている。可動部62は、円錐形状の尖り部材62bが先端を開口61b1に向けて、円筒形状の磁石62aの端面に固定されて形成されている。磁石62aは、ネオジュウムなどの高磁性材料の磁石である。尖り部材62bは、プラスチックや樹脂等の硬質で軽量な材料により形成されている。なお、操作者に与える触覚に応じて、尖り部材62bの材料を適合させることが好ましい。   A movable portion 62 is accommodated in a columnar (concave) cavity of the cylindrical portion 61a closed by the lid 61d so as to be movable up and down. The movable portion 62 is formed by fixing a conical pointed member 62b to the end surface of the cylindrical magnet 62a with the tip directed toward the opening 61b1. The magnet 62a is a magnet made of a high magnetic material such as neodymium. The pointed member 62b is formed of a hard and lightweight material such as plastic or resin. In addition, it is preferable to adapt the material of the pointed member 62b according to the tactile sensation given to the operator.

円筒部61aの空洞内の上下方向の中心軸と、可動部62の上下方向の中心軸とは一致(又は略一致)しており、互いの中心軸が一致状態となって可動部62が移動するように成されている。
第1円環板61bと第2円環板61cとの間隙には、コイル導線(導線)を周回して円環状に巻いたコイル63が配設されている。
The vertical center axis in the cavity of the cylindrical portion 61a and the vertical center axis of the movable portion 62 are coincident (or substantially coincident), and the movable portions 62 move when the central axes coincide with each other. It is made to do.
In the gap between the first annular plate 61b and the second annular plate 61c, a coil 63 that is wound around the coil conducting wire (conducting wire) in an annular shape is disposed.

図4(a)に示すように、コイル63が無通電状態で、可動部62がボビン61の内部底面に重力で載置状態となっている場合に、コイル63に所定の電流を供給(通電状態)したとする。この場合、図4(b)に示すように、電磁誘導作用によって、可動部62が電磁力で上方へ移動し、尖り部材62bの先端が、開口61b1からボビン61の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指100bの指先を押圧する。   As shown in FIG. 4A, when the coil 63 is in a non-energized state and the movable part 62 is placed in a gravity state on the inner bottom surface of the bobbin 61, a predetermined current is supplied to the coil 63 (energized). State). In this case, as shown in FIG. 4B, due to the electromagnetic induction action, the movable portion 62 is moved upward by electromagnetic force, and the tip of the pointed member 62b protrudes from the opening 61b1 to the outside of the bobbin 61, so that the operator Presses the fingertip of the index finger 100b so as to feel a sense of touch.

ここで、コイル63のコイル導線の太さは、太すぎるとボビン61への巻き回数が少なくなって電磁誘導効果が低くなり、細すぎると電磁誘導効果は高くなるが、高熱が発生する。この高熱でボビン61が融ける等の不具合が生じる可能性がある。そこで、コイル導線の太さは、可動部62が上述した図4(b)のように移動可能な電磁力が発生し、且つボビン61が溶解する等の不具合が生じない発熱で済むような太さとする。   Here, if the thickness of the coil conducting wire of the coil 63 is too large, the number of windings on the bobbin 61 is reduced and the electromagnetic induction effect is lowered. If too thin, the electromagnetic induction effect is increased, but high heat is generated. There is a possibility that problems such as melting of the bobbin 61 may occur due to this high heat. Therefore, the thickness of the coil conducting wire is such that the electromagnetic force that allows the movable portion 62 to move as shown in FIG. 4 (b) described above is generated, and that heat generation that does not cause problems such as melting of the bobbin 61 is sufficient. Say it.

例えば、コイル導線の径を0.16mmとして、コイル導線をボビン61に40回巻いてコイル63を形成し、コイル63に0.8Aの電流を流すようにする。この際、電磁力で移動する可動部62の先端が、操作者の指先の皮膚を押圧する力は120mNとなる。この押圧により、操作者が指に所定の物体を把持した際の触覚を感じることになる。但し、この場合、可動部62の尖り部材62bは、円錐形状なので、その先端は曲率半径が略0mm(針状に尖っている)である。なお、曲率半径が略0mmとは、曲率半径が限りなく「0」に近づくこと、又は、「0」となることを示し、以降、曲率半径R=0mmと記載する。   For example, the diameter of the coil conductor is 0.16 mm, the coil conductor is wound around the bobbin 61 40 times to form the coil 63, and a current of 0.8 A is passed through the coil 63. At this time, the force with which the tip of the movable part 62 moved by electromagnetic force presses the skin of the operator's fingertip is 120 mN. By this pressing, the operator feels a tactile sensation when holding a predetermined object with his / her finger. However, in this case, since the pointed member 62b of the movable portion 62 is conical, the tip has a radius of curvature of approximately 0 mm (pointed like a needle). Note that the curvature radius of approximately 0 mm indicates that the curvature radius is as close as possible to “0” or becomes “0”, and is hereinafter referred to as a curvature radius R = 0 mm.

また、電流値Iが0.8A程度において、曲率半径R=0mm〜1.8mmの場合は、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与え、曲率半径R=∞(無限大)に近づく程に、触覚を余り与えないことが実験的に得られている。従って、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、電流値Iとの関係は、曲率半径Rが小さいほどに、電流値Iも小さくできる。つまり、曲率半径Rが小さいほどに、小さい電流値Iの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。   When the current value I is about 0.8 A and the radius of curvature R is 0 mm to 1.8 mm, the operator is given an appropriate tactile sensation when a predetermined object is grasped, and the radius of curvature R = ∞ (infinity) It has been experimentally obtained that the closer it is to), the less tactile sensation is given. Therefore, as for the relationship between the curvature radius R of the tip of the pointed member 62b and the current value I, the smaller the curvature radius R, the smaller the current value I can be. In other words, the smaller the radius of curvature R is, the smaller the current I can be, the more appropriate tactile sensation can be given to the operator when a predetermined object is grasped.

ここで、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、コイル63に流す電流値Iとは、上記のような関係があるので、尖り部材62bの先端の曲率半径Rは、仮想物体に対応する各種の実物体に応じて予め定めておき、この際の電流値Iも定めておく。例えば、仮想物体がゴムの塊である場合、曲率半径R=0mmの尖り部材62bを適用し、この際に、電流値I=0.8Aと定めておく。   Here, since the curvature radius R of the tip of the sharp member 62b and the current value I flowing through the coil 63 have the relationship as described above, the curvature radius R of the tip of the sharp member 62b corresponds to various virtual objects. The current value I is determined in advance according to the actual object. For example, when the virtual object is a rubber lump, a sharp member 62b having a radius of curvature R = 0 mm is applied, and at this time, the current value I = 0.8 A is determined.

このような仮想手が把持する仮想物体に対応する各種の実物体と、尖り部材62bの先端の曲率半径Rと、コイル63に流す電流値Iとを、コンピュータ20の図示せぬROM(Read Only Memory)やHDD(Hard Disk Drive)等の記憶装置に記憶されたデータテーブル(図示せず)に、各々データ化して対応付けておく。   Various real objects corresponding to the virtual object held by such a virtual hand, the radius of curvature R of the tip of the pointed member 62b, and the current value I flowing through the coil 63 are read from a ROM (Read Only) (not shown) of the computer 20. Each data is associated with a data table (not shown) stored in a storage device such as a memory or HDD (hard disk drive).

例えば、データテーブルに、ゴムの塊と、曲率半径R=0mmと、電流値I=0.8Aとが、各々データ化されて対応付けられているとする。この場合、尖り部材62bは、先端が曲率半径R=0mmのものが適用されているとする。   For example, it is assumed that a rubber lump, a radius of curvature R = 0 mm, and a current value I = 0.8 A are converted into data and associated in the data table. In this case, it is assumed that the tip member 62b has a tip with a curvature radius R = 0 mm.

コンピュータ20が、仮想手が、ゴムの塊に対応する仮想物体を把持したことを検出した場合、データテーブルから、ゴムの塊及び曲率半径R=0mmが対応付けられた電流値I=0.8Aを検索し、0.8Aの電流をコイル63に流すための触覚提示情報の信号を生成する。この触覚提示情報の信号が、触覚用コントローラ50でPWMによる電気信号に変換されて触覚提示装置60へ出力され、コイル63に電流が供給される。これにより、可動部62の尖り部材62bの先端が、開口61b1からボビン61の外部へ突き出て、操作者が触覚を感じるように人差し指100bの指先を押圧する。   When the computer 20 detects that the virtual hand has grasped the virtual object corresponding to the rubber lump, the current value I = 0.8 A in which the rubber lump and the curvature radius R = 0 mm are associated from the data table. And a tactile sensation presentation information signal for causing a current of 0.8 A to flow through the coil 63 is generated. The tactile sense presentation information signal is converted into an electric signal by PWM by the tactile sense controller 50 and output to the tactile sense presentation device 60, and a current is supplied to the coil 63. As a result, the tip of the pointed member 62b of the movable portion 62 protrudes from the opening 61b1 to the outside of the bobbin 61 and presses the fingertip of the index finger 100b so that the operator feels a tactile sensation.

次に、図4(a)に示すように、ボビン61の蓋61dが下方に位置する場合は、コイル63が無通電状態であれば、可動部62は重力でボビン61の内部底面に載置状態となる。しかし、図3に示す親指100aのように、ボビン61の蓋61dが上方に位置する場合は、コイル63が無通電状態であれば、重力で可動部62の先端が親指100aの腹に載置状態となる。   Next, as shown in FIG. 4A, when the lid 61d of the bobbin 61 is positioned below, the movable part 62 is placed on the inner bottom surface of the bobbin 61 by gravity if the coil 63 is in a non-energized state. It becomes a state. However, when the lid 61d of the bobbin 61 is positioned upward like the thumb 100a shown in FIG. 3, the tip of the movable part 62 is placed on the belly of the thumb 100a by gravity if the coil 63 is in a non-energized state. It becomes a state.

この場合、可動部62の重量は、操作者が重さを触覚として感じてしまうため、操作者がその重さを感じないように定められている。本実施形態では、先端の曲率半径R=0mmの場合、可動部62の重量を、0.15gとして重量を感じないようにしてある。操作者が重力による可動部62の重量を感じるか否かは、重量以外に、先端の曲率半径Rにもよる。そこで、可動部62の重量と、先端の曲率半径Rとを考慮して、操作者が上述のような重力による載置時に、可動部62を、その重量を感じない重さとする必要がある。   In this case, the weight of the movable portion 62 is determined so that the operator does not feel the weight because the operator feels the weight as a tactile sensation. In the present embodiment, when the curvature radius R at the tip is 0 mm, the weight of the movable portion 62 is set to 0.15 g so as not to feel the weight. Whether the operator feels the weight of the movable part 62 due to gravity depends on the curvature radius R of the tip in addition to the weight. Therefore, in consideration of the weight of the movable portion 62 and the curvature radius R of the tip, it is necessary for the operator to make the movable portion 62 a weight that does not feel the weight when the operator places it by gravity as described above.

また、指先に触覚提示装置60を装着した際に、人が重みを感じる重量は、平均的に2.1g以上である。このため、本実施形態では、触覚提示装置60の重量は、2.1g未満としてある。
ここまでの説明で記載した各種の数値例は、力触覚提示システム10を、少なくともその数値で設計すれば、触覚及び力覚を良好に操作者に提示できることを示唆するものである。
Moreover, when the tactile sense presentation device 60 is attached to the fingertip, the weight that a person feels weight is 2.1 g or more on average. For this reason, in this embodiment, the weight of the tactile sense presentation device 60 is less than 2.1 g.
The various numerical examples described so far suggest that the tactile sensation and the haptic sensation can be satisfactorily presented to the operator if the force / tactile sensation presentation system 10 is designed with at least the numerical values.

このような構成の触覚提示装置60は、次のように触覚を指先に伝達する。まず、図2に示すコンピュータ20は、力覚提示装置40から得られる糸43の長さを計測するための情報を用いて、操作者の各指先の3次元座標位置を計算する。コンピュータ20は、計算による3次元座標位置から、仮想手が仮想物体を把持したことを検出した際に、操作者の各指先に仮想物体を把持した触覚を伝達するための触覚提示情報を生成し、触覚用コントローラ50へ出力する。   The tactile sense presentation device 60 configured as described above transmits a tactile sense to the fingertip as follows. First, the computer 20 shown in FIG. 2 calculates the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator using information for measuring the length of the thread 43 obtained from the force sense presentation device 40. When the computer 20 detects from the calculated three-dimensional coordinate position that the virtual hand has grasped the virtual object, the computer 20 generates tactile presentation information for transmitting a tactile sense of grasping the virtual object to each fingertip of the operator. To the tactile controller 50.

触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。そして、触覚提示装置60が、触覚提示信号に応じてコイル63に電流を流す。この電流による電磁誘導作用によって、図4(b)に示すように可動部62が上方へ移動し、尖り部材62bの先端が人差し指100bの指先を押圧し、触感に対応した触覚を操作者の指先に伝達する。   The tactile controller 50 converts the tactile presentation information signal into a tactile presentation signal by PWM and outputs it to the tactile presentation device 60. Then, the tactile sense presentation device 60 causes a current to flow through the coil 63 in response to the tactile sense presentation signal. Due to the electromagnetic induction action by this current, the movable portion 62 moves upward as shown in FIG. 4B, the tip of the sharp member 62b presses the fingertip of the index finger 100b, and a tactile sensation corresponding to the tactile sensation is provided. To communicate.

次に、図2に示す力覚提示装置40は、仮想手が仮想物体を把持した時に指先に伝わる反力を、糸43を引っ張って操作者の手100の指先に伝達する。その反力は、仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想物体から受けるものである。このため、コンピュータ20は、記憶装置に、仮想物体に対応する実物体の弾性係数や内圧等のデータを記憶しておき、仮想手が仮想物体を把持した際の仮想物体の変形量に、弾性係数を用いて反力を求める。   Next, the force sense presentation device 40 shown in FIG. 2 transmits the reaction force transmitted to the fingertip when the virtual hand grips the virtual object to the fingertip of the operator's hand 100 by pulling the thread 43. The reaction force is received from the virtual object while the virtual hand strongly holds the virtual object. For this reason, the computer 20 stores data such as the elastic coefficient and internal pressure of the real object corresponding to the virtual object in the storage device, and the amount of deformation of the virtual object when the virtual hand grips the virtual object is elastic. Find the reaction force using the coefficient.

まず、コンピュータ20が、上記の仮想手が仮想物体を強く把持したことを検出する場合、前述のように操作者の手100の各指先の3次元座標位置を求め、この位置と、画面20a上の仮想手の位置とを対応付ける。つまり、コンピュータ20は、その仮想手が仮想物体を強く把持する過程で、仮想手の各指先が仮想物体に食い込む場合の、仮想手と仮想物体との相対位置を求める。   First, when the computer 20 detects that the above-mentioned virtual hand strongly holds the virtual object, the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator's hand 100 is obtained as described above, and this position is displayed on the screen 20a. Correlate the position of the virtual hand. That is, the computer 20 obtains the relative position between the virtual hand and the virtual object when each fingertip of the virtual hand bites into the virtual object while the virtual hand strongly holds the virtual object.

例えば、仮想物体の表面の位置が「0」であるとすると、仮想手が仮想物体を把持した瞬間は、仮想手の指の位置も「0」となる。位置「0」は仮想物体の表面の基準位置であるとする。仮想手の各指先が仮想物体に食い込んだ場合、仮想手の指先の位置は、基準位置「0」に対して「−2」のような仮想物体の表面から食い込んだ位置となる。このように、仮想物体の表面の基準位置「0」に対する仮想手の指の位置の「0」や「−2」を相対位置とする。   For example, when the position of the surface of the virtual object is “0”, the position of the finger of the virtual hand is also “0” at the moment when the virtual hand grips the virtual object. The position “0” is assumed to be a reference position on the surface of the virtual object. When each fingertip of the virtual hand bites into the virtual object, the position of the fingertip of the virtual hand is a position biting from the surface of the virtual object like “−2” with respect to the reference position “0”. As described above, “0” or “−2” of the position of the finger of the virtual hand with respect to the reference position “0” on the surface of the virtual object is set as a relative position.

更に、コンピュータ20は、その相対位置に応じて、仮想物体の変形量を求め、この変形量に弾性係数を用いて反力を求める。この際、相対位置と、仮想物体の変形量と、この変形量に応じた反力とは、予め対応付けて記憶装置にテーブル化してもよい。   Further, the computer 20 obtains a deformation amount of the virtual object according to the relative position, and obtains a reaction force using an elastic coefficient for the deformation amount. At this time, the relative position, the deformation amount of the virtual object, and the reaction force according to the deformation amount may be associated with each other in advance and tabulated in the storage device.

コンピュータ20は、操作者の各指先に、上記で求めた反力を糸43で引っ張って伝達するための力覚提示情報を、各モータ部42の回転トルク(単に、トルクともいう)として計算する。コンピュータ20は、その計算された触覚提示情報を力覚用コントローラ30へ出力する。   The computer 20 calculates force sense presentation information for transmitting the reaction force obtained above to each fingertip of the operator by pulling it with the thread 43 as the rotational torque (simply also referred to as torque) of each motor unit 42. . The computer 20 outputs the calculated tactile sense presentation information to the force sense controller 30.

力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号(電気信号)に変換して力覚提示装置40へ出力する。そして、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で指先を引っ張り、反力に対応した力覚を操作者の指先に伝達する。   The haptic controller 30 converts the haptic presentation information signal into a haptic presentation signal (electrical signal) by PWM and outputs it to the haptic presentation device 40. Then, the force sense presentation device 40 operates the force sense corresponding to the reaction force by pulling the fingertip with the thread 43 by rotating the predetermined motor unit 42 forward or reverse with a necessary torque according to the force sense presentation signal. Communicate to the fingertips of the person.

<実施形態の動作>
次に、本実施形態に係る力触覚提示システム10による触覚及び力覚の提示動作を、図6及び図7に示すフローチャートを参照して説明する。
図6に示すステップS1において、図2に示したコンピュータ20の制御により、図8(a)に示すように、画面20aに、3次元VR空間内の仮想物体としてのゴムボール71と、仮想手72とが離間状態に表示されているとする。但し、ゴムボール71は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。
<Operation of Embodiment>
Next, a tactile sense and force sense presenting operation by the force / tactile sense presenting system 10 according to the present embodiment will be described with reference to flowcharts shown in FIGS. 6 and 7.
In step S1 shown in FIG. 6, under the control of the computer 20 shown in FIG. 2, as shown in FIG. 8A, a rubber ball 71 as a virtual object in the three-dimensional VR space and a virtual hand are displayed on the screen 20a. 72 is displayed in a separated state. However, it is assumed that the rubber ball 71 has an egg shape and is solid with a rubber member filled therein.

次に、ステップS2において、図2に示した力覚提示装置40の糸接続部44及び触覚提示装置60を、ゴムバンド45で操作者の各指先に装着した手100によって、図8(b)に示す仮想手72がゴムボール71を把持するように、操作が行われるとする。この際、仮想手72がゴムボール71を肉眼上では凹まないように把持されたとする。   Next, in step S2, the thread connecting portion 44 and the tactile sense presentation device 60 of the force sense presentation device 40 shown in FIG. It is assumed that the operation is performed so that the virtual hand 72 shown in FIG. At this time, it is assumed that the virtual hand 72 is gripped so that the rubber ball 71 is not recessed on the naked eye.

次に、ステップS3において、コンピュータ20は、上記ステップS2の把持操作を行う操作者の手100に繋がる、各糸43(図2参照)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、各指先の3次元座標位置を計算して求める。   Next, in step S3, the computer 20 obtains information such as motor information necessary for measuring the length of each thread 43 (see FIG. 2) connected to the hand 100 of the operator who performs the gripping operation in step S2. Obtained from the force sense presentation device 40 via the force sense controller 30. The computer 20 measures the length of the thread 43 according to the acquired information, and calculates and obtains the three-dimensional coordinate position of each fingertip.

更に、ステップS4において、コンピュータ20は、上記ステップS3で求められた操作者の各指先の3次元座標位置に応じて、仮想手72がゴムボール71を把持する動作を行うように描画制御する。   Furthermore, in step S4, the computer 20 performs drawing control so that the virtual hand 72 performs an operation of gripping the rubber ball 71 in accordance with the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator obtained in step S3.

ステップS5において、コンピュータ20は、仮想手72がゴムボール71の表面を把持した位置となったことを検出した際に、その把持の触覚を操作者に伝達するための触覚提示情報を求める。この触覚提示情報は、触覚提示装置60の可動部62のコイル63に、例えば0.8Aの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ20から触覚用コントローラ50へ出力される。   In step S <b> 5, when the computer 20 detects that the virtual hand 72 has reached the position where the surface of the rubber ball 71 is gripped, the computer 20 obtains tactile sensation presentation information for transmitting the grip haptic to the operator. This tactile sensation presentation information is information for allowing a current of, for example, 0.8 A to flow through the coil 63 of the movable part 62 of the haptic presentation device 60. The tactile presentation information signal is output from the computer 20 to the tactile controller 50.

ステップS6において、触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。   In step S <b> 6, the tactile controller 50 converts the tactile presentation information signal into a tactile presentation signal by PWM and outputs the tactile presentation information signal to the tactile presentation device 60.

ステップS7において、その触覚提示信号に応じて触覚提示装置60のコイル63に電流が供給される。   In step S7, a current is supplied to the coil 63 of the haptic presentation device 60 in accordance with the haptic presentation signal.

この電流供給に応じた電磁誘導作用により、ステップS8において、図4(b)に示すように触覚提示装置60の可動部62が上方へ移動し、尖り部材62bの先端が各指{図4(b)には人差し指100bのみ表示}の指先を押圧する。この押圧により、上記計算の触感に対応した触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、画面20a上で仮想手72がゴムボール71を把持した時に、手100の各指に、その把持した触感を感じる。   Due to the electromagnetic induction action corresponding to the current supply, in step S8, the movable portion 62 of the tactile sense presentation device 60 moves upward as shown in FIG. 4B, and the tip of the pointed member 62b is moved to each finger {FIG. In b), only the index finger 100b is displayed} is pressed. By this pressing, a tactile sensation corresponding to the calculated tactile sensation is transmitted to each fingertip of the operator. Thus, when the virtual hand 72 grips the rubber ball 71 on the screen 20a, the operator feels the grip feeling of each finger of the hand 100.

次に、図7に示すステップS9において、操作者の手100によって、図8(b)に示すゴムボール71を把持した仮想手72が、図8(c)に示すように、ゴムボール71を更に強く把持するように、操作が行われたとする。この場合、仮想手72が、ゴムボール71を凹むように把持した状態となる。   Next, in step S9 shown in FIG. 7, the virtual hand 72 holding the rubber ball 71 shown in FIG. 8B by the operator's hand 100 moves the rubber ball 71 as shown in FIG. 8C. It is assumed that the operation is performed so as to hold it more strongly. In this case, the virtual hand 72 holds the rubber ball 71 so as to be recessed.

この際、ステップS10において、コンピュータ20は、操作者の手100の各指先の変化に応じて、時々刻々と変化する各糸43の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、自身の位置から時々刻々と変化する操作者の各指先の3次元座標位置を計算して求める。   At this time, in step S10, the computer 20 obtains information such as motor information necessary for measuring the length of each thread 43 that changes every moment according to the change of each fingertip of the hand 100 of the operator. Obtained from the presentation device 40 via the force sense controller 30. The computer 20 measures the length of the thread 43 according to the acquired information, and calculates and obtains the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator that changes from time to time.

更に、ステップS11において、コンピュータ20は、上記ステップS10で計算された操作者の各指先の3次元座標位置に応じて、仮想手72がゴムボール71を強く把持する動作を行うように描画制御する。   Furthermore, in step S11, the computer 20 performs drawing control so that the virtual hand 72 performs an operation of strongly gripping the rubber ball 71 according to the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the operator calculated in step S10. .

この制御により、仮想手72の各指がゴムボール71を徐々に強く把持し、各指先がゴムボール71に徐々にめり込み、仮想手72の各指先の位置が時々刻々と変化する。この変化に応じて仮想手72の各指先はゴムボール71から反力を受ける。
そこで、ステップS12において、コンピュータ20は、ゴムボール71の基準表面位置に対する、ゴムボール71に食い込む仮想手72の指先の相対位置を求める。そして、コンピュータ20は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール71の弾性係数を用いて反力を求める。
By this control, each finger of the virtual hand 72 grips the rubber ball 71 gradually and strongly, each fingertip gradually sinks into the rubber ball 71, and the position of each fingertip of the virtual hand 72 changes from moment to moment. In response to this change, each fingertip of the virtual hand 72 receives a reaction force from the rubber ball 71.
Therefore, in step S <b> 12, the computer 20 obtains the relative position of the fingertip of the virtual hand 72 that bites into the rubber ball 71 with respect to the reference surface position of the rubber ball 71. Then, the computer 20 obtains a reaction force by using the elastic coefficient of the rubber ball 71 for the deformation amount of the virtual object according to the relative position.

次に、ステップS13において、コンピュータ20は、上記ステップS12で求められた反力を、操作者の各指先に糸43で引っ張って伝達するために必要な各モータ部42のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ30へ出力する。   Next, in step S13, the computer 20 obtains the reaction force obtained in step S12 as the torque of each motor unit 42 necessary for transmitting the reaction force by pulling it with the thread 43 to each fingertip of the operator. This torque information is output to the force sense controller 30 as force sense presentation information.

ステップS14において、力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置40へ出力する。   In step S <b> 14, the haptic controller 30 converts the haptic presentation information signal into a haptic presentation signal by PWM and outputs the haptic presentation signal 40 to the haptic presentation device 40.

そして、ステップS15において、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で操作者の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、画面20a上で仮想手72がゴムボール71を強く把持した時の反力を、手100の各指先に感じる。この際、上記ステップS2〜S8で説明したように、その強く把持した際の触覚も感じることができる。   In step S15, the force sense presentation device 40 pulls each fingertip of the operator with the thread 43 by rotating the predetermined motor unit 42 forward or reverse with a necessary torque in response to the force sense presentation signal. A force sense corresponding to the force is transmitted to the fingertip. Thereby, the operator feels the reaction force when the virtual hand 72 strongly holds the rubber ball 71 on the screen 20 a at each fingertip of the hand 100. At this time, as described in steps S2 to S8 above, it is possible to feel the tactile sensation when gripping strongly.

<実施形態の効果>
以上説明したように、本実施形態に係る触覚提示装置60は、図1に示すように、演算及び制御処理を行うコンピュータ20の制御により画面20aに物体71及び手72(図8)が表示され、当該表示物体としての仮想物体72が当該表示手としての仮想手72で把持された際の触覚を、仮想手72の動作をコンピュータ20の制御と連携しながら操作する操作者の手100に感知可能に伝達するものである。
<Effect of embodiment>
As described above, in the haptic presentation device 60 according to the present embodiment, the object 71 and the hand 72 (FIG. 8) are displayed on the screen 20 a by the control of the computer 20 that performs calculation and control processing, as shown in FIG. 1. The tactile sensation when the virtual object 72 as the display object is gripped by the virtual hand 72 as the display hand is detected by the operator's hand 100 operating the operation of the virtual hand 72 in cooperation with the control of the computer 20. It communicates as possible.

この触覚提示装置60の特徴は、図5に示すように、筒状を成し、一端の開口が蓋61dで閉塞されて内部が凹状となったボビン61と、ボビン61の外周にコイル導線が巻回されて成るコイル63と、ボビン61の凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビン61の開口側に先端を向けた尖り部材62bが磁石62aに一体に固定されて成る可動部62とを備えた構成にある。この構成において、ボビン61の開口61b1が操作者の手100に当接状態となるようにボビン61が装着された当該操作者の操作により、表示手としての仮想手72が表示物体としての仮想物体71を把持した際に、コイル63に電流が供給される。この電流供給により生じる電磁誘導作用によって可動部62が移動する。そして、可動部62の先端が、ボビン61の開口61b1から突出して、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手100を押圧するようにした。   As shown in FIG. 5, the tactile sense presentation device 60 has a cylindrical shape, a bobbin 61 whose one end is closed by a lid 61 d and has a concave inside, and a coil conductor wire on the outer periphery of the bobbin 61. A coil 63 that is wound, and a movable portion 62 that is movably disposed inside the concave shape of the bobbin 61 and that has a pointed member 62b that is pointed toward the opening side of the bobbin 61 and is integrally fixed to the magnet 62a. It is in the composition provided with. In this configuration, a virtual hand 72 as a display hand is a virtual object as a display object by the operation of the operator with the bobbin 61 attached so that the opening 61b1 of the bobbin 61 is in contact with the hand 100 of the operator. When gripping 71, current is supplied to the coil 63. The movable portion 62 is moved by the electromagnetic induction effect generated by the current supply. And the front-end | tip of the movable part 62 protruded from opening 61b1 of the bobbin 61, and the operator's hand 100 was pressed so that an operator might feel a tactile sense.

これによって、操作者の手100の操作により、画面20aに表示された仮想手72が仮想物体71を把持した際に、操作者の手100に装着されたボビン61のコイル63に電流が供給される。この電流供給によってボビン61の凹状の内部の可動部62が移動し、可動部62の先端が、操作者が触覚を感じるように当該操作者の手100を押圧する。従って、操作者は自分の手の操作で、仮想手72に仮想物体71を把持させた時に、仮想物体71に対応する実物体を把持した際の触覚を実際に感じることができる。   As a result, when the virtual hand 72 displayed on the screen 20a grips the virtual object 71 by the operation of the operator's hand 100, current is supplied to the coil 63 of the bobbin 61 attached to the operator's hand 100. The With this current supply, the movable portion 62 inside the concave shape of the bobbin 61 moves, and the tip of the movable portion 62 presses the operator's hand 100 so that the operator feels a tactile sensation. Therefore, the operator can actually feel a tactile sensation when holding the real object corresponding to the virtual object 71 when the virtual hand 72 is held by the virtual hand 72 by the operation of his / her hand.

また、尖り部材62bは、この先端の曲率半径が0mm〜1.8mmであり、コイル63に供給される電流値Iは、当該電流値Iの電流がコイル63に供給された際の可動部62の移動により、曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材62bの先端が操作者の手を押圧した際に、当該操作者に触覚を感じさせる大きさとした。   The pointed member 62b has a radius of curvature of 0 mm to 1.8 mm at the tip, and the current value I supplied to the coil 63 is the movable part 62 when the current of the current value I is supplied to the coil 63. Thus, when the tip of the sharp member 62b having a curvature radius of 0 mm to 1.8 mm presses the operator's hand, the operator feels a tactile sensation.

これによって、尖り部材62bの先端の曲率半径を0mm〜1.8mmの範囲内で選択しても、操作者に、仮想物体71に対応する実物体を把持した時に近い触覚を伝達させることができる。従って、尖り部材62bの先端の曲率半径を、0mm〜1.8mmの比較的広い範囲で定めることができる。   As a result, even if the radius of curvature of the tip of the pointed member 62b is selected within the range of 0 mm to 1.8 mm, it is possible to transmit the tactile sensation close to when the real object corresponding to the virtual object 71 is held to the operator. . Therefore, the radius of curvature of the tip of the pointed member 62b can be determined within a relatively wide range of 0 mm to 1.8 mm.

また、コイル63に供給される電流値Iは、尖り部材62bの先端の曲率半径Rが小さくなるに従い、小さくするようにした。   Further, the current value I supplied to the coil 63 is made smaller as the radius of curvature R at the tip of the pointed member 62b becomes smaller.

これによって、尖り部材62bの先端の曲率半径Rが小さいほどに、その先端が操作者の手に食い込み易くなるので、小さい電流値Iの電流でも、操作者に所定の物を掴んだ際の適度な触覚を与えることができる。また、曲率半径Rを小さくして、触覚提示装置60の消費電力を抑制することができる。   As a result, the smaller the radius of curvature R of the tip of the sharp member 62b, the easier it is for the tip to bite into the hand of the operator. Can provide a tactile sensation. Moreover, the curvature radius R can be made small and the power consumption of the tactile sense presentation device 60 can be suppressed.

また、可動部62は、ボビン61の開口が下方を向くことにより、尖り部材62bの先端が操作者の手100に重力で載置状態となった際に、当該操作者が可動部62の重さを感じない重量とした。   Further, when the opening of the bobbin 61 faces downward, the movable portion 62 is placed on the operator's hand 100 by gravity when the tip of the pointed member 62b is placed on the operator's hand 100. The weight was not felt.

これによって、尖り部材62bの先端が操作者の手100に重力で載置状態となっている場合でも、その載置状態の時点では可動部62の重量を感じない。このため、操作者の手100の操作で仮想手72が仮想物体71を把持した際の、尖り部材62bの先端に押圧による触覚を適正に感じることができる。   Thus, even when the tip of the pointed member 62b is placed in the operator's hand 100 due to gravity, the weight of the movable portion 62 is not felt at the time of the placement. For this reason, when the virtual hand 72 grips the virtual object 71 by the operation of the operator's hand 100, it is possible to appropriately feel the tactile sensation due to the pressing at the tip of the sharp member 62b.

また、触覚提示装置60の重量は、触覚提示装置60を操作者の手100に装着する装具としてのゴムバンド45と併せて、2.1g未満とした。   In addition, the weight of the tactile presentation device 60 was set to less than 2.1 g together with the rubber band 45 as an appliance for mounting the tactile presentation device 60 on the operator's hand 100.

これによって次のような作用効果が得られる。物の重量が2.1g以上の際に、人は、その物が例えば手に載置されていれば、この載置物の重さを感じる。このため、ゴムバンド45と併せて2.1g未満の触覚提示装置60では、人は、その重さを感じない。従って、2.1g未満の触覚提示装置60をゴムバンド45で操作者の手100に装着すれば、操作者は装着物の重さを略感じない状態で、仮想手72の操作を良好に行うことができる。このため、操作者は、触覚提示装置60の可動部62の押圧で触覚が提示されていない状態では、重さを略感じていないので、触覚が提示された際に、その触覚を感じ易くなり、触覚を適正に感じることができる。   As a result, the following effects can be obtained. When the weight of an object is 2.1 g or more, if the object is placed on a hand, for example, the person feels the weight of the placed object. For this reason, in the tactile sense presentation device 60 of less than 2.1 g together with the rubber band 45, a person does not feel the weight. Therefore, if the tactile sense presentation device 60 of less than 2.1 g is attached to the operator's hand 100 with the rubber band 45, the operator can operate the virtual hand 72 satisfactorily without feeling the weight of the attachment. be able to. For this reason, since the operator does not substantially feel the weight when the tactile sensation is not presented by the pressing of the movable part 62 of the tactile sense presentation device 60, the operator can easily feel the tactile sense when the tactile sensation is presented. , You can feel the tactile sense properly.

次に、本実施形態の力触覚提示システム10は、上記の触覚提示装置60と力覚提示装置40とを備える構成とした。力覚提示装置40は、触覚提示装置60の動作を制御するコンピュータ20の制御により画面20aに表示された仮想物体71が仮想手72で把持された際の把持力の反力である力覚を、仮想手72をコンピュータ20に制御させながら操作する操作者の手100に、感知可能に伝達する。   Next, the force / tactile sense presentation system 10 according to the present embodiment includes the tactile sense presentation device 60 and the force sense presentation device 40. The force sense presentation device 40 generates a force sense that is a reaction force of the gripping force when the virtual object 71 displayed on the screen 20 a is gripped by the virtual hand 72 under the control of the computer 20 that controls the operation of the tactile sense presentation device 60. Then, the virtual hand 72 is transmitted to the operator's hand 100 operating the computer 20 in a controllable manner.

この力触覚提示システム10の特徴を説明する。力覚提示装置40は、操作に応じてコンピュータ20により回転制御される複数のモータとしてのモータ部42と、モータ部42に、当該モータ部42の正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸43と、少なくとも1つ以上のモータ部42から延びる糸43が接続されるか、又は少なくとも2つ以上のモータ部42から延びる複数本の糸43が1つに束ねられて接続される糸接続部44とを備える。糸接続部44と触覚提示装置60とが、1つのゴムバンド45を介して操作者の手100に装着されており、コンピュータ20は、仮想物体71が仮想手72で把持された際に、操作者の手100に装着されている糸接続部44に接続された1本、又は1つに束ねられた複数本の糸43の長さを計測して当該操作者の手100の位置を求め、この位置の手100に力覚を糸43で引っ張って伝達するために必要なモータ部42の回転制御を行う情報を生成する。この生成された情報で当該モータ部42を回転させ、力覚が操作者の手100に伝達されるように糸43で当該操作者の手100を引っ張るようにした。   The features of the force / tactile sense presentation system 10 will be described. The force sense presentation device 40 has a motor unit 42 as a plurality of motors whose rotation is controlled by the computer 20 according to an operation, and the motor unit 42 expands and contracts in length according to normal rotation or reverse rotation of the motor unit 42. The thread 43 attached in this way and the thread 43 extending from at least one motor part 42 are connected, or a plurality of threads 43 extending from at least two motor parts 42 are bundled together. And a yarn connecting portion 44 to be connected. The thread connection unit 44 and the tactile sense presentation device 60 are attached to the operator's hand 100 via one rubber band 45, and the computer 20 operates when the virtual object 71 is gripped by the virtual hand 72. Measuring the length of one or a plurality of yarns 43 connected to the yarn connecting portion 44 attached to the operator's hand 100 to obtain the position of the operator's hand 100; Information for performing rotation control of the motor unit 42 necessary for pulling and transmitting the force sense to the hand 100 at this position with the thread 43 is generated. The motor unit 42 is rotated with the generated information, and the operator's hand 100 is pulled with the thread 43 so that the force sense is transmitted to the operator's hand 100.

これによって、操作者の手100の操作により、画面20aに表示された仮想手72が仮想物体71を強く把持した際に、触覚提示装置60の可動部62による操作者の手100への押圧によって、操作者は操作を行っている自分の手に、実物体を把持した時と同じような触覚を感じることができる。同時に、力覚提示装置40の糸43が、把持力の反力である力覚が伝わるように、触覚が伝達中の操作者の手100を引っ張るので、操作者に力覚を感じさせることができる。従って、操作者は、仮想手72が仮想物体71を強く把持する操作を行った際に、この操作を行っている自分の手に、把持した際の触覚及び力覚を同時に感じることができる。   Thus, when the virtual hand 72 displayed on the screen 20a strongly holds the virtual object 71 by the operation of the operator's hand 100, the operator's hand 100 is pressed by the movable unit 62 of the tactile sense presentation device 60. The operator can feel a tactile sensation similar to that when grasping a real object in his / her hand performing the operation. At the same time, the thread 43 of the force sense presentation device 40 pulls the hand 100 of the operator who is transmitting the tactile sense so that the force sense that is the reaction force of the gripping force is transmitted, which may cause the operator to feel the force sense. it can. Therefore, when the virtual hand 72 performs an operation of strongly grasping the virtual object 71, the operator can feel the tactile sensation and the force sense at the time of grasping with his / her hand performing this operation.

また、触覚提示装置60及び糸接続部44を合計した重量は、触覚提示装置60及び糸接続部44の双方を操作者の手100に装着する装具としてのゴムバンド45と併せて、2.1g未満とした。   Further, the total weight of the tactile sense presentation device 60 and the thread connection portion 44 is 2.1 g in combination with the rubber band 45 as a device for mounting both the tactile sense presentation device 60 and the thread connection portion 44 on the hand 100 of the operator. Less than.

これによって、前述の触覚提示装置60の重量がゴムバンド45と併せて2.1g未満では指先で重さを感じないので、操作者は、指先で触覚及び力覚を感じ易くなり、触覚及び力覚を適正に感じることができ、良好な操作性を得ることができる。この操作性に関しては、小型軽量の触覚提示装置60及び糸接続部44が固定されたゴムバンド45を、操作者が各指先に装着して操作を行うので、より良好な操作性を得ることができる。   Accordingly, if the weight of the tactile sense presentation device 60 is less than 2.1 g in combination with the rubber band 45, the operator does not feel the weight with the fingertip, so that the operator can easily feel the tactile sense and the force sense with the fingertip. A sense of sensation can be felt appropriately, and good operability can be obtained. With respect to this operability, since the operator performs the operation by attaching the small and light tactile sense presentation device 60 and the rubber band 45 to which the thread connecting portion 44 is fixed to each fingertip, it is possible to obtain better operability. it can.

以上説明した本実施形態では、糸接続部44及び触覚提示装置60をゴムバンド45で各指先に取り付け、触覚用コントローラ50をゴムバンド51で手頸に取り付けた構成としたが、グローブの指先に糸接続部44及び触覚提示装置60を固定し、グローブの甲側に触覚用コントローラ50を固定した構成としてもよい。   In the present embodiment described above, the thread connecting portion 44 and the tactile sense presentation device 60 are attached to each fingertip with the rubber band 45, and the tactile controller 50 is attached to the wrist with the rubber band 51. The thread connection unit 44 and the tactile sense presentation device 60 may be fixed, and the tactile controller 50 may be fixed to the back side of the glove.

また、触覚用コントローラ50及び力覚用コントローラ30は、コンピュータ20に内蔵してもよい。更に、触覚用コントローラ50とコネクタ52間は、有線通信に代え、無線通信で接続してもよい。   The tactile controller 50 and the force controller 30 may be built in the computer 20. Further, the tactile controller 50 and the connector 52 may be connected by wireless communication instead of wired communication.

<実施形態の応用例>
図9は、本発明の実施形態の力触覚提示システムを用いた応用例に係るロボット操作システムの構成を示す図である。
図9に示すロボット操作システム12は、上述した力触覚提示システム10と、通信装置70と、中継装置80と、ロボット90とを備えて構成されている。
<Application example of embodiment>
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a robot operation system according to an application example using the force / tactile sensation presentation system of the embodiment of the present invention.
A robot operation system 12 shown in FIG. 9 includes the above-described force / tactile sense presentation system 10, a communication device 70, a relay device 80, and a robot 90.

通信装置70は、コンピュータ20と有線通信(又は無線通信)で接続されている。この通信装置70は、操作者の手100(図2参照)の操作に応じてコンピュータ20で生成されるロボット90の操作制御信号を、中継装置80を介して遠隔地(離間位置)のロボット90へ無線送信する。また、通信装置70は、ロボット90からの動作状態等の情報を含むロボット情報信号を、中継装置80を介して無線で受信し、この受信したロボット情報信号をコンピュータ20へ送信する。   The communication device 70 is connected to the computer 20 by wired communication (or wireless communication). The communication device 70 transmits an operation control signal of the robot 90 generated by the computer 20 in response to the operation of the operator's hand 100 (see FIG. 2) via the relay device 80 to the robot 90 at a remote location (separated position). Wireless transmission to Further, the communication device 70 wirelessly receives a robot information signal including information such as an operation state from the robot 90 via the relay device 80 and transmits the received robot information signal to the computer 20.

中継装置80は、コンピュータ20とロボット90との間で送受信される操作制御信号及びロボット情報信号を、無線通信にて中継する。なお、通信装置70とロボット90の距離が短い場合は、中継装置80は不要となり、通信装置70とロボット90が直接無線通信を行う。また、通信装置70とロボット90が近距離でノイズ混信など電波環境が悪い場所では、通信装置70とロボット90を有線で接続してもよい。   The relay device 80 relays an operation control signal and a robot information signal transmitted and received between the computer 20 and the robot 90 by wireless communication. Note that when the distance between the communication device 70 and the robot 90 is short, the relay device 80 is not necessary, and the communication device 70 and the robot 90 perform wireless communication directly. Further, in a place where the communication device 70 and the robot 90 are in a short distance and the radio wave environment such as noise interference is bad, the communication device 70 and the robot 90 may be connected by wire.

ロボット90は、ヒューマノイド型のロボットであり、胴体91と、両足92と、両腕93及び両手94と、頭部95とを備え、頭部95に、中継装置80との間で電波を送受信するアンテナ96と、両眼としてのカメラ98とを備える。両手94には、各々5本の指97を備える。なお、図9には、両足90bを1本のみ表記し、5本の指97を2本のみ、両眼に対応する2つのカメラ98を1つのみ表記してある。また、ロボット90の手94及び指97は、請求項に記載の「ロボットのマニピュレータ」に対応している。   The robot 90 is a humanoid robot and includes a body 91, both feet 92, both arms 93 and both hands 94, and a head 95, and transmits and receives radio waves to and from the relay device 80 on the head 95. An antenna 96 and a camera 98 as both eyes are provided. Both hands 94 are each provided with five fingers 97. In FIG. 9, only one foot 90b is shown, only two fingers 97 are shown, and only two cameras 98 corresponding to both eyes are shown. The hand 94 and the finger 97 of the robot 90 correspond to the “robot manipulator” recited in the claims.

ロボット90は、図示はしないが、内部に、両足90b、両手94及び指97、頭部95等を人間に近い状態で動かすためのアクチュエータを含む機械機構を備える。更に、ロボット90は、内部に図示せぬ、通信機能、センサ機能、コンピュータ機能を備える。   Although not shown, the robot 90 includes a mechanical mechanism including an actuator for moving both feet 90b, both hands 94 and fingers 97, the head 95, and the like in a state close to a human being. Furthermore, the robot 90 has a communication function, a sensor function, and a computer function (not shown).

機械機構は、ロボット90に人間のように、両足90bで歩行させ、両腕93を肩関節で動作させ、両手94を動かして5本の指97で、物75を把持させる等の動作を行わせる。ここでは、把持する物75が、たまご型のゴムボールであるとする。   The mechanical mechanism causes the robot 90 to walk with both feet 90b like a human, operate both arms 93 with shoulder joints, move both hands 94, and grip an object 75 with five fingers 97. Make it. Here, it is assumed that the object 75 to be grasped is an egg-shaped rubber ball.

通信機能は、アンテナ96を介して中継装置80と無線で送受信を行う。
センサ機能は、ロボット90の両足90b、両手94及び指97等の動作状態や、この動作時の両足90b、両手94及び指97等の3次元座標位置等を検出する。
The communication function performs wireless transmission / reception with the relay device 80 via the antenna 96.
The sensor function detects the operating state of both feet 90b, both hands 94 and fingers 97 of the robot 90, the three-dimensional coordinate positions of both feet 90b, both hands 94 and fingers 97, etc. during this operation.

コンピュータ機能は、アンテナ96を介して通信機能で受信された操作制御信号に応じた動作を、ロボット90が行うように機械機構を制御する。更に、コンピュータ機能は、センサ機能の検出動作やカメラ98の撮影動作等を制御し、それらの動作で得られる情報を処理してロボット情報信号を生成する。   The computer function controls the mechanical mechanism so that the robot 90 performs an operation according to the operation control signal received by the communication function via the antenna 96. Furthermore, the computer function controls the detection operation of the sensor function, the photographing operation of the camera 98, etc., and processes information obtained by these operations to generate a robot information signal.

ロボット90が、例えば一方の手94の指97でゴムボール75を把持した状態をカメラ98で撮影した場合、この様子が、図10(a)に示すように、コンピュータ20の画面20aに表示される。この表示は次のように行われる。ロボット90において、カメラ98で撮影された映像情報がコンピュータ機能でロボット情報信号に重畳されて生成され、このロボット情報信号が中継装置80及び通信装置70を介してコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、ロボット情報信号の映像情報に応じて、画面20aに図10(a)に示すように手94aの指97aでゴムボール75aを把持した様子を表示する。   For example, when the robot 90 captures the rubber ball 75 with the finger 97 of one hand 94 with the camera 98, this state is displayed on the screen 20a of the computer 20 as shown in FIG. The This display is performed as follows. In the robot 90, video information captured by the camera 98 is generated by being superimposed on the robot information signal by a computer function, and this robot information signal is transmitted to the computer 20 via the relay device 80 and the communication device 70. In accordance with the video information of the robot information signal, the computer 20 displays a state where the rubber ball 75a is grasped with the finger 97a of the hand 94a on the screen 20a as shown in FIG.

なお、ロボット90の腕93、手94、指97、並びにゴムボール75が、図10(a)及び(b)に示すように、画面20aに表示される場合、腕93a、手94a、指97a、並びにゴムボール75aのように、符号にaを付して実際のものと区別してある。また、ゴムボール75は、たまご型で、内部にゴム部材が充填された中実のものであるとする。   When the arm 93, the hand 94, the finger 97, and the rubber ball 75 of the robot 90 are displayed on the screen 20a as shown in FIGS. 10A and 10B, the arm 93a, the hand 94a, and the finger 97a are displayed. In addition, like a rubber ball 75a, a is added to the symbol to distinguish it from the actual one. In addition, the rubber ball 75 is an egg type and is solid with a rubber member filled therein.

ロボット90が手94の指97でゴムボール75を、図10(a)に示すように把持する際の動作は次のように行われる。   The operation when the robot 90 grips the rubber ball 75 with the finger 97 of the hand 94 as shown in FIG. 10A is performed as follows.

操作者は、図10(a)に示すように、画面20aに表示された手94aの指97aが、ゴムボール75aを把持するように手100の各指(図2)を動かす。これに応じて、コンピュータ20は、その操作を行う手100の各指に繋がる各糸43(図2)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、手100の各指先の3次元座標位置を計算する。   As shown in FIG. 10A, the operator moves each finger (FIG. 2) of the hand 100 so that the finger 97a of the hand 94a displayed on the screen 20a grips the rubber ball 75a. In response to this, the computer 20 sends information such as motor information necessary for measuring the length of each thread 43 (FIG. 2) connected to each finger of the hand 100 performing the operation from the force sense presentation device 40. Obtained via the controller 30. The computer 20 measures the length of the thread 43 according to the acquired information, and calculates the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the hand 100.

コンピュータ20は、その計算された3次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置70及び中継装置80を介してロボット90へ送信する。ロボット90は、コンピュータ機能で、操作制御信号の3次元座標位置の情報に応じて、手94の指97を把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手94の指97が把持するように動かし、ゴムボール75を把持する。   The computer 20 generates an operation control signal including information on the calculated three-dimensional coordinate position, and transmits the operation control signal to the robot 90 via the communication device 70 and the relay device 80. The robot 90 is a computer function and controls to hold the finger 97 of the hand 94 according to the information of the three-dimensional coordinate position of the operation control signal. In accordance with this control, the mechanical mechanism moves so that the finger 97 of the hand 94 is gripped, and grips the rubber ball 75.

この際、ロボット90が動かす手94及び指97の画像は、カメラ98で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図10(a)に示すように、画面20aに手94aの指97aによる把持動作を表示する。   At this time, images of the hand 94 and the finger 97 moved by the robot 90 are taken by the camera 98 and superimposed on the robot information signal, and then transmitted to the computer 20. As shown in FIG. 10A, the computer 20 displays the gripping operation by the finger 97a of the hand 94a on the screen 20a according to the imaging information of the robot information signal.

また、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を把持する際の把持動作の状態や、この時の手94の指97の3次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット90からコンピュータ20へ送信される。   The state of the gripping operation when the robot 90 grips the rubber ball 75 with the finger 97 of the hand 94 and the three-dimensional coordinate position of the finger 97 of the hand 94 at this time are also detected by the sensor function. These pieces of detection information are also superimposed on the robot information signal and transmitted from the robot 90 to the computer 20.

コンピュータ20は、そのロボット情報信号に含まれる3次元座標位置の手94の指97が、ゴムボール75を把持する状態を示す情報(ロボット把持動作情報という)を用い、操作者の手100の指先に、その把持時の触覚を伝達するための触覚提示情報を求める。これは、コンピュータ20が、ロボット把持動作情報から、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を把持したことを検出した際に、前述した実施形態と同様に触覚提示情報を求めるものである。この触覚提示情報は、触覚提示装置60の可動部62のコイル63に、例えば0.8Aの電流を流すための情報となる。この触覚提示情報の信号は、コンピュータ20から触覚用コントローラ50へ出力される。   The computer 20 uses information indicating a state in which the finger 97 of the hand 94 at the three-dimensional coordinate position included in the robot information signal grips the rubber ball 75 (referred to as robot gripping operation information), and uses the fingertip of the operator's hand 100. In addition, tactile sensation presentation information for transmitting the tactile sensation at the time of grasping is obtained. This is because when the computer 20 detects from the robot gripping operation information that the robot 90 grips the rubber ball 75 with the finger 97 of the hand 94, the computer 20 obtains tactile sensation presentation information as in the above-described embodiment. is there. This tactile sensation presentation information is information for allowing a current of, for example, 0.8 A to flow through the coil 63 of the movable part 62 of the haptic presentation device 60. The tactile presentation information signal is output from the computer 20 to the tactile controller 50.

触覚用コントローラ50は、その触覚提示情報の信号をPWMによる触覚提示信号に変換して触覚提示装置60へ出力する。この出力された触覚提示信号に応じて触覚提示装置60のコイル63{図4(b)}に電流が供給される。この電流の供給に応じた電磁誘導作用により、触覚提示装置60の可動部62{図4(b)}が上方へ移動し、その尖り部材62bの先端が各指の指先を押圧する。この押圧により、上記計算された触覚が操作者の各指先に伝達される。これによって、操作者は、ロボット90の手94の指97が、ゴムボール75を把持した際の触覚を、自分の手100の各指に感じることができる。   The tactile controller 50 converts the tactile presentation information signal into a tactile presentation signal by PWM and outputs it to the tactile presentation device 60. A current is supplied to the coil 63 {FIG. 4B} of the haptic presentation device 60 in accordance with the output haptic presentation signal. Due to the electromagnetic induction action according to the supply of current, the movable part 62 {FIG. 4B} of the tactile sense presentation device 60 moves upward, and the tip of the pointed member 62b presses the fingertip of each finger. By this pressing, the calculated tactile sensation is transmitted to each fingertip of the operator. Thereby, the operator can feel the sense of touch when the finger 97 of the hand 94 of the robot 90 grips the rubber ball 75 to each finger of his / her hand 100.

この後、図10(b)に示すように、ロボット90が手94の指97でゴムボール75を、更に強く把持したとする。この動作は次のように行われる。   Thereafter, as shown in FIG. 10B, it is assumed that the robot 90 grips the rubber ball 75 with the finger 97 of the hand 94 even more strongly. This operation is performed as follows.

操作者は、図10(a)に示す画面20aに表示された手94aの指97aが、ゴムボール75aを把持した様子を見ながら、ゴムボール75aを更に強く把持するように手100の各指(図2)を動かす。これに応じて、コンピュータ20は、その操作を行う手100の各指に繋がる各糸43(図2)の長さの計測に必要なモータ情報等の情報を、力覚提示装置40から力覚用コントローラ30を介して取得する。コンピュータ20は、その取得情報に応じて糸43の長さを計測し、手100の各指先の3次元座標位置を計算する。   The operator observes how the finger 97a of the hand 94a displayed on the screen 20a shown in FIG. 10A grips the rubber ball 75a, and holds each finger of the hand 100 so as to grip the rubber ball 75a more strongly. Move (Figure 2). In response to this, the computer 20 sends information such as motor information necessary for measuring the length of each thread 43 (FIG. 2) connected to each finger of the hand 100 performing the operation from the force sense presentation device 40. Obtained via the controller 30. The computer 20 measures the length of the thread 43 according to the acquired information, and calculates the three-dimensional coordinate position of each fingertip of the hand 100.

コンピュータ20は、その計算された3次元座標位置の情報を含む操作制御信号を生成し、通信装置70及び中継装置80を介してロボット90へ送信する。ロボット90は、コンピュータ機能で、操作制御信号の3次元座標位置の情報に応じて、手94の指97を更に強く把持するように制御する。この制御に応じて機械機構が、手94の指97が更に強く把持するように動かし、ゴムボール75を更に強く把持する。   The computer 20 generates an operation control signal including information on the calculated three-dimensional coordinate position, and transmits the operation control signal to the robot 90 via the communication device 70 and the relay device 80. The robot 90 is a computer function, and controls to hold the finger 97 of the hand 94 more strongly according to the information of the three-dimensional coordinate position of the operation control signal. In response to this control, the mechanical mechanism moves so that the finger 97 of the hand 94 grips more strongly, and grips the rubber ball 75 more strongly.

この際、ロボット90が動かす手94及び指97の画像は、カメラ98で撮影されてロボット情報信号に重畳されたのちコンピュータ20へ送信される。コンピュータ20は、そのロボット情報信号の撮影情報に応じて、図10(b)に示すように、画面20aに手94aの指97aによる強い把持動作を表示する。   At this time, images of the hand 94 and the finger 97 moved by the robot 90 are taken by the camera 98 and superimposed on the robot information signal, and then transmitted to the computer 20. As shown in FIG. 10B, the computer 20 displays a strong gripping operation by the finger 97a of the hand 94a on the screen 20a according to the imaging information of the robot information signal.

また、ロボット90が、手94の指97でゴムボール75を更に強く把持する際の把持動作の状態や、この時の手94の指97の3次元座標位置も、センサ機能で検出される。これらの検出情報も、ロボット情報信号に重畳されて、ロボット90からコンピュータ20へ送信される。   In addition, the state of the gripping operation when the robot 90 grips the rubber ball 75 more strongly with the finger 97 of the hand 94 and the three-dimensional coordinate position of the finger 97 of the hand 94 at this time are also detected by the sensor function. These pieces of detection information are also superimposed on the robot information signal and transmitted from the robot 90 to the computer 20.

コンピュータ20は、そのロボット情報信号に含まれるロボット把持動作情報を用い、ロボット90の手94の指97がゴムボール75を更に強く把持した際に、手94の指97がゴムボール75から受ける反力を求める。即ち、コンピュータ20は、ゴムボール75の基準表面位置に対する、ゴムボール75に食い込む手94の指97の相対位置を求める。そして、コンピュータ20は、相対位置に応じた仮想物体の変形量に、ゴムボール75の弾性係数を用いて反力を求める。   The computer 20 uses the robot gripping operation information included in the robot information signal, and the reaction of the finger 97 of the hand 94 received from the rubber ball 75 when the finger 97 of the hand 94 of the robot 90 grips the rubber ball 75 more strongly. Seeking power. That is, the computer 20 obtains the relative position of the finger 97 of the hand 94 that bites into the rubber ball 75 with respect to the reference surface position of the rubber ball 75. Then, the computer 20 obtains a reaction force using the elastic coefficient of the rubber ball 75 as the deformation amount of the virtual object according to the relative position.

次に、コンピュータ20は、その求められた反力を、操作者の各指先に糸43で引っ張って伝達するために必要な各モータ部42のトルクとして求める。このトルクの情報を力覚提示情報として力覚用コントローラ30へ出力する。   Next, the computer 20 obtains the obtained reaction force as the torque of each motor part 42 necessary for pulling and transmitting the obtained reaction force to each fingertip of the operator with the thread 43. This torque information is output to the force sense controller 30 as force sense presentation information.

力覚用コントローラ30は、その力覚提示情報の信号をPWMによる力覚提示信号に変換して力覚提示装置40へ出力する。   The haptic controller 30 converts the haptic presentation information signal into a haptic presentation signal by PWM and outputs it to the haptic presentation device 40.

そして、力覚提示装置40が、力覚提示信号に応じて所定のモータ部42を必要なトルクで正転又は逆転させることにより、糸43で操作者の手100の各指先を引っ張り、反力に対応した力覚を指先に伝達する。これによって、操作者は、図10(b)に示すように画面20a上で、ロボット90の手94aの指97aがゴムボール75aを更に強く把持する際の反力を、手100の各指先に感じる。   Then, the force sense presentation device 40 pulls each fingertip of the operator's hand 100 with the thread 43 by causing the predetermined motor unit 42 to rotate forward or reverse with a necessary torque in accordance with the force sense presentation signal, and the reaction force Force sense corresponding to is transmitted to the fingertip. As a result, as shown in FIG. 10B, the operator applies the reaction force when the finger 97a of the hand 94a of the robot 90 grips the rubber ball 75a more strongly to each fingertip of the hand 100 on the screen 20a. feel.

このような操作者の手100の各指による操作と、この操作に応じたロボット90の手94の指97の動作と、この動作に応じた操作者の手100の各指先への触覚及び力覚の伝達とは、コンピュータ20とロボット90との間で、操作制御信号とロボット情報信号とがその操作や動作の都度、送受信されることにより順次実行される。   Such an operation with each finger of the operator's hand 100, the operation of the finger 97 of the hand 94 of the robot 90 in response to this operation, and the sense of touch and force to each fingertip of the operator's hand 100 in response to this operation The sense transmission is sequentially executed between the computer 20 and the robot 90 by transmitting / receiving an operation control signal and a robot information signal for each operation or operation.

なお、ロボット90においては、その手94の指97の動作は、ロボット90の目として搭載されたカメラ98で撮影するようにしたが、ロボット90から離間した位置に外部カメラを配置して撮影してもよい。この場合、外部カメラで撮影された情報は、ロボット90へ無線送信されて、内部のコンピュータ機能で処理されるようにする。   In the robot 90, the movement of the finger 97 of the hand 94 is taken by the camera 98 mounted as the eyes of the robot 90. However, the external camera is placed at a position away from the robot 90. May be. In this case, information captured by the external camera is wirelessly transmitted to the robot 90 and processed by an internal computer function.

以上のような本実施形態の力触覚提示システム10を用いた応用例のロボット操作システム12によれば、次のような作用効果を得ることができる。   According to the robot operation system 12 of the application example using the force / tactile sensation presentation system 10 of the present embodiment as described above, the following operational effects can be obtained.

操作者が、コンピュータ10の画面20aに表示された遠隔地のロボット90のマニピュレータとしての手94の指97を見ながら、ロボット90の手94の指97の動きを遠隔操作しているとする。この際に、同画面20aに表示された手94の指97の近くの実物体としてのゴムボール75を、操作者が遠隔操作で手94の指97に把持させたとする。この時に、操作者は、その把持した際の触覚及び力覚を、同時に感じることができる。   It is assumed that the operator is remotely operating the movement of the finger 97 of the hand 94 of the robot 90 while looking at the finger 97 of the hand 94 as the manipulator of the remote robot 90 displayed on the screen 20a of the computer 10. At this time, it is assumed that the operator holds the rubber ball 75 as a real object near the finger 97 of the hand 94 displayed on the screen 20a on the finger 97 of the hand 94 by remote control. At this time, the operator can simultaneously feel the tactile sensation and the force sensation at the time of gripping.

その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。図2に示したゴムバンド45に固定された触覚提示装置60及び力覚提示装置40の糸接続部44を、操作者の手100の各指に代え、足の各指にゴムバンド45で装着してもよい。この場合、手で操作ができない人に足で操作させることが可能となる等、適用範囲を拡げることができる。   In addition, about a concrete structure, it can change suitably in the range which does not deviate from the main point of this invention. The thread connection portion 44 of the tactile sense presentation device 60 and the force sense presentation device 40 fixed to the rubber band 45 shown in FIG. 2 is attached to each finger of the foot with the rubber band 45 instead of each finger of the operator's hand 100. May be. In this case, the range of application can be expanded, such as allowing a person who cannot be operated by hand to operate with a foot.

10 力触覚提示システム
12 ロボット操作システム
20 コンピュータ
20a 画面
30 力覚用コントローラ
30a モータ部の配線
30b ケーブル配線
40 力覚提示装置
41 フレーム
42a〜42x モータ部
43 糸
45 ゴムバンド
50 触覚用コントローラ
50a,50b ケーブル配線
51 ゴムバンド
50c〜50g 配線
60 触覚提示装置
61 ボビン
61a 円筒部
61a1 円筒部の開口
61b 第1円環板
61c 第2円環板
61d 蓋
61b1 第1円環板の開口
62 可動部
62a 磁石
62b 尖り部材
63 コイル
70 通信装置
71 仮想物体(ゴムボール)
72 仮想手
75 物体(ゴムボール)
80 中継装置
90 ロボット
91 胴体
92 足
93 腕
94 手
97 指
95 頭部
96 アンテナ
98 カメラ
100 操作者の手
100a 親指
100b 人差し指
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Force tactile sense presentation system 12 Robot operation system 20 Computer 20a Screen 30 Force sense controller 30a Motor part wiring 30b Cable wiring 40 Force sense presentation apparatus 41 Frame 42a-42x Motor part 43 String 45 Rubber band 50 Tactile sense controller 50a, 50b Cable wiring 51 Rubber band 50c-50g Wiring 60 Tactile sense presentation device 61 Bobbin 61a Cylindrical portion 61a1 Opening of cylindrical portion 61b First annular plate 61c Second annular plate 61d Lid 61b1 Opening of first annular plate 62 Movable portion 62a Magnet 62b Pointer 63 Coil 70 Communication Device 71 Virtual Object (Rubber Ball)
72 Virtual Hand 75 Object (Rubber Ball)
80 relay device 90 robot 91 body 92 foot 93 arm 94 hand 97 finger 95 head 96 antenna 98 camera 100 operator's hand 100a thumb 100b index finger

Claims (10)

演算及び制御処理を行う演算処理手段の制御により画面に表示される表示物体が、同表示される表示手で把持された際の触覚を、当該表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する触覚提示装置において、
筒状を成し、一端の開口が閉塞されて内部が凹状となったボビンと、
前記ボビンの外周に導線が巻回されて成るコイルと、
前記ボビンの凹状の内部に移動自在に配置され、当該ボビンの開口側に先端を向けた尖り部材が磁石に一体に固定されて成る可動部と
を備え、
前記ボビンの開口が前記操作者の手に当接状態となるように当該ボビンが装着された当該操作者の操作により、前記表示手が前記表示物体を把持した際に、前記コイルに電流が供給され、当該供給により生じる電磁誘導作用によって移動する前記可動部の先端が、前記ボビンの開口から突出して、前記操作者に前記触覚を感じさせるように当該操作者の手を押圧する
ことを特徴とする触覚提示装置。
A tactile sensation when a display object displayed on the screen is gripped by the display hand displayed by the control of the arithmetic processing means for performing arithmetic and control processing, and the operation of the display hand is linked with the control of the arithmetic processing means. In the tactile sense presentation device that sensiblely communicates to the operator's hand operating while
A bobbin having a cylindrical shape, with one end closed and a concave inside;
A coil formed by winding a conductive wire around the bobbin;
A movable part that is movably disposed inside the concave shape of the bobbin, and has a pointed member with the tip facing the opening side of the bobbin that is integrally fixed to the magnet.
A current is supplied to the coil when the display hand grips the display object by the operation of the operator with the bobbin mounted so that the opening of the bobbin is in contact with the hand of the operator. The tip of the movable part that moves due to the electromagnetic induction generated by the supply protrudes from the opening of the bobbin and presses the operator's hand so that the operator feels the tactile sensation. Tactile presentation device.
前記尖り部材は、当該尖り部材の先端の曲率半径が0mm〜1.8mmであり、
前記コイルに供給される電流値は、当該電流値の電流が当該コイルに供給された際の前記可動部の移動により、前記曲率半径が0mm〜1.8mmの尖り部材の先端が前記操作者の手を押圧した際に、当該操作者に前記触覚を感じさせる大きさであることを特徴とする請求項1に記載の触覚提示装置。
The sharp member has a curvature radius of 0 mm to 1.8 mm at the tip of the sharp member,
The current value supplied to the coil is such that the tip of the pointed member having a radius of curvature of 0 mm to 1.8 mm is the operator's movement due to the movement of the movable part when the current of the current value is supplied to the coil. The tactile sensation presentation apparatus according to claim 1, wherein the tactile sensation presentation apparatus has a size that allows the operator to feel the tactile sensation when the hand is pressed.
前記コイルに供給される電流値は、前記尖り部材の先端の曲率半径が小さくなるに従い、小さくすることを特徴とする請求項1又は2に記載の触覚提示装置。   3. The tactile sense presentation device according to claim 1, wherein a current value supplied to the coil is decreased as a radius of curvature of a tip of the sharp member is decreased. 前記可動部は、前記ボビンの開口が下方を向くことにより、前記尖り部材の先端が前記操作者の手に重力で載置状態となった際に、当該操作者が当該可動部の重さを感じない重量とされていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の触覚提示装置。   The movable portion is configured such that when the opening of the bobbin is directed downward, the operator reduces the weight of the movable portion when the tip of the pointed member is placed on the operator's hand by gravity. The tactile sensation presentation device according to claim 1, wherein the tactile sensation presentation device has a weight that is not felt. 触覚提示装置の重量は、当該触覚提示装置を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の触覚提示装置。   The tactile sensation device according to any one of claims 1 to 4, wherein a weight of the tactile sensation presentation device is less than 2.1 g together with a device for mounting the tactile sensation presentation device on the hand of the operator. Presentation device. 前記表示物体及び前記表示手は、前記演算処理手段の描画制御により、仮想現実空間に描画される仮想物体及び仮想手であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の触覚提示装置。   6. The display object and the display hand are a virtual object and a virtual hand drawn in a virtual reality space by drawing control of the arithmetic processing unit. Tactile presentation device. 前記表示手は、前記操作者が自身の手で前記演算処理手段が通信装置を介して操作制御を行う離間位置のロボットのマニピュレータが表示されたものであり、前記表示物体は、前記マニピュレータが把持する実物体が表示されたものであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の触覚提示装置。   The display hand displays a manipulator of a robot in a separated position where the operator is operating with his / her hand and the arithmetic processing unit performs operation control via a communication device, and the display object is gripped by the manipulator The tactile sensation presentation device according to claim 1, wherein a real object to be displayed is displayed. 請求項1〜7の何れか1項に記載の触覚提示装置と、
前記触覚提示装置の動作を制御する前記演算処理手段の制御により画面に表示された前記表示物体が前記表示手で把持された際の把持力の反力である力覚を、前記表示手の動作を前記演算処理手段の制御と連携しながら操作する操作者の手に、感知可能に伝達する力触覚提示装置と
を備えることを特徴とする力触覚提示システム。
A tactile presentation device according to any one of claims 1 to 7,
A force sense that is a reaction force of a gripping force when the display object displayed on the screen by the control of the arithmetic processing unit that controls the operation of the tactile sense presenting device is gripped by the display hand, A force / tactile sensation presentation system comprising: a force / tactile sensation presentation device that transmits the information to a hand of an operator who operates the device in cooperation with the control of the arithmetic processing unit.
前記力覚提示装置は、
前記操作に応じて前記演算処理手段により回転制御される複数のモータと、
前記モータに、当該モータの正転又は逆転に応じて長さが伸縮するように取り付けられた糸と、
前記モータの内、少なくとも1つ以上のモータから延びる糸が接続される糸接続部とを備え、
前記糸接続部と前記触覚提示装置とが、1つの装具を介して前記操作者の手に装着されており、
前記演算処理手段は、前記表示物体が前記表示手で把持された際に、前記操作者の手に装着されている前記糸接続部で束ねられた複数本の糸の長さを計測して当該操作者の手の位置を求め、この位置の手に前記力覚を前記糸で引っ張って伝達するために必要な前記モータの回転制御を行う情報を生成し、この生成された情報で当該モータを回転させ、前記力覚が前記操作者の手に伝達されるように前記糸で当該操作者の手を引っ張ることを特徴とする請求項9に記載の力触覚提示システム。
The force sense presentation device includes:
A plurality of motors whose rotation is controlled by the arithmetic processing means according to the operation;
A thread attached to the motor such that its length expands and contracts in accordance with the normal rotation or reverse rotation of the motor;
A thread connecting portion to which a thread extending from at least one of the motors is connected;
The thread connecting portion and the tactile sense presentation device are attached to the operator's hand through one appliance,
When the display object is gripped by the display hand, the arithmetic processing means measures the lengths of a plurality of threads bundled at the thread connecting portion attached to the operator's hand, and The position of the operator's hand is obtained, information for performing rotation control of the motor necessary for pulling and transmitting the force sense to the hand at this position is generated, and the motor is The force / tactile sensation presentation system according to claim 9, wherein the force / tactile sense presentation system is rotated and the operator's hand is pulled by the thread so that the force sense is transmitted to the operator's hand.
前記触覚提示装置及び前記糸接続部を合計した重量は、当該触覚提示装置及び当該糸接続部の双方を前記操作者の手に装着する装具と併せて、2.1g未満であることを特徴とする請求項9に記載の力触覚提示システム。   The total weight of the tactile sensation presentation device and the thread connection portion is less than 2.1 g in combination with an appliance for mounting both the tactile presentation device and the thread connection portion on the operator's hand. The force tactile sense presentation system according to claim 9.
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